Un diodo túnel es un tipo de diodo semiconductor que presenta una resistencia negativa debido a un efecto mecánico cuántico conocido como tunelización.
En este post aprenderemos las características básicas y el funcionamiento de los diodos de túnel, y también un circuito de aplicación simple usando este dispositivo.
Veremos cómo se puede utilizar un diodo de túnel para convertir el calor en electricidad y para cargar una pequeña batería.
Credito de imagen: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg
Visión general
Después de una larga desaparición del mundo de los semiconductores, el diodo de túnel se ha vuelto a lanzar como resultado del hecho de que podría implementarse para convertir la energía térmica en electricidad. Los diodos de túnel también se conocen como Diodo esaki , llamado así por su inventor japonés.
En los años cincuenta y sesenta, los diodos de túnel se implementaron en muchas aplicaciones principalmente en circuitos de RF, en los que se aprovecharon sus extraordinarias cualidades para producir sensores de nivel, osciladores, mezcladores y cosas por el estilo extremadamente rápidos.
Cómo funciona el diodo de túnel
A diferencia de un diodo estándar, un diodo de túnel funciona mediante el uso de una sustancia semiconductora que tiene un nivel de dopaje increíblemente grande, lo que hace que la capa de agotamiento entre la unión p -n se vuelva aproximadamente 1000 veces más estrecha incluso que los diodos de silicio más rápidos.
Una vez que el diodo túnel está polarizado hacia adelante, comienza un proceso conocido como 'túnel' del flujo de electrones a lo largo de la unión p -n.
La 'construcción de túneles' en semiconductores dopados es en realidad un método que no es fácilmente comprensible usando la hipótesis atómica convencional, y tal vez no se pueda cubrir en este pequeño artículo.
Relación entre el voltaje directo y la corriente del diodo de túnel
Al probar la relación entre el voltaje directo de un diodo de túnel, UF y la corriente, IF, podemos encontrar que la unidad posee una característica de resistencia negativa entre el voltaje pico, Up, y el voltaje valle, Uv, como se muestra en la Fig. A continuación.
Por lo tanto, cuando el diodo se alimenta dentro del área sombreada de su curva IF-UF, la corriente directa desciende a medida que aumenta el voltaje. La resistencia del diodo es sin duda negativa, y normalmente se presenta como -Rd.
El diseño presentado en este artículo aprovecha la calidad anterior de los diodos de túnel al implementar un conjunto de dispositivos de diodos de túnel conectados en serie para cargar una batería a través de calor solar (no panel solar).
Como se observa en la Figura siguiente, siete o más diodos de túnel de galio-antimonuro de indio (GISp) están conectados en serie y sujetos a un gran disipador de calor, lo que ayuda a prevenir la disipación de su potencia (los diodos de túnel se enfrían a medida que la UF aumenta o aumenta) .
El disipador de calor se utiliza para permitir una acumulación efectiva de calor solar, o cualquier otra forma de calor que se pueda aplicar, cuya energía se requiera transformar en una corriente de carga para cargar la batería de Ni-Cd propuesta.
Convertir calor en electricidad usando diodos de túnel (electricidad térmica)
La teoría de trabajo de esta configuración especial es sorprendentemente sencilla. Imagine que una resistencia natural ordinaria, R, es capaz de descargar una batería a través de una corriente I = V / R. lo que implica que una resistencia negativa podrá iniciar un proceso de carga para la misma batería, simplemente porque el signo de I se invierte, es decir: -I = V / -R.
De la misma manera, si una resistencia normal permite la disipación de calor por P = PR vatios, una resistencia negativa podrá proporcionar la misma cantidad de potencia en la carga: P = -It-R.
Siempre que la carga sea una fuente de voltaje por sí sola con una resistencia interna relativamente reducida, la resistencia negativa debe, ciertamente, generar un mayor nivel de voltaje para que fluya la corriente de carga, Ic, que viene dada por la fórmula:
Ic = δ [Σ (Uf) - Ubat] / Σ (Rd) + Rbat
Con referencia a la anotación Σ (Rd), se entiende de inmediato que todos los diodos dentro de la secuencia de la secuencia deben ejecutarse dentro de la región -Rd, principalmente porque cualquier diodo individual con una característica + Rd podría terminar el objetivo.
Prueba de diodos de túnel
Para asegurarse de que todos los diodos presenten una resistencia negativa, se podría diseñar un circuito de prueba sencillo como se muestra en la siguiente figura.
Observe que el medidor debe especificarse para indicar la polaridad de la corriente, porque muy bien podría suceder que un diodo específico tenga una relación IP: Iv realmente excesiva (pendiente del túnel) y provoque que la batería se cargue inesperadamente al implementar una pequeña polarización directa.
El análisis debe realizarse a una temperatura atmosférica por debajo de 7 ° C (pruebe con un congelador limpio) y anote la curva UF-IF para cada diodo aumentando meticulosamente la polarización directa a través del potenciómetro y documentando las magnitudes resultantes de SI, como se muestra en la lectura del medidor.
A continuación, acerque una radio FM para asegurarse de que el diodo que se está probando no oscile a 94,67284 MHz (Freq, para GISp en el nivel de dopaje 10-7).
Si encuentra que esto sucede, es posible que el diodo específico no sea adecuado para la presente aplicación. Determine el rango de OF que garantiza -Rd para casi todos los diodos. Basado en el umbral de fabricación de los diodos en el lote disponible, este rango podría ser tan mínimo como, digamos, 180 a 230 mV.
Circuito de aplicación
La electricidad generada por los diodos de túnel a partir del calor se puede utilizar para cargar una pequeña batería de Ni-Cd.
Primero determine la cantidad de diodos necesarios para cargar la batería a través de su corriente mínima: para la selección anterior de UF, un mínimo de siete diodos deberán estar conectados en serie para proporcionar una corriente de carga de aproximadamente 45 mA cuando se calienten a un nivel de temperatura de:
Γ [-Σ (Rd) Si] [δ (Rth-j) - RΘ] .√ (Td + Ta) ° C
O aproximadamente 35 ° C cuando la resistencia térmica del disipador térmico no supera los 3,5 K / W, y cuando se instala bajo la luz solar máxima (Ta 26 ° C). Para obtener la máxima eficiencia de este cargador de NiCd, el disipador de calor tiene que ser de color oscuro para el mejor intercambio de calor posible a los diodos.
Además no debe ser magnético, considerando que cualquier tipo de campo exterior, inducido o magnético, provocará una estimulación inestable de los portadores de carga dentro de los túneles.
En consecuencia, esto puede provocar el efecto de conducto desprevenido; es probable que los electrones se desprendan de la unión p -n sobre el sustrato y, por lo tanto, se acumulen alrededor de los terminales del diodo, lo que provoque voltajes quizás peligrosos según la carcasa metálica.
Varios diodos de túnel Tipo BA7891NG son, lamentablemente, muy sensibles a los campos magnéticos más diminutos, y las pruebas han demostrado que estos deben mantenerse horizontales con respecto a la superficie de la tierra para interceptar esto.
Prototipo original que demuestra la electricidad a partir del calor solar utilizando diodos de túnel
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