在這篇文章中，我們將學習隧道二極管的基本特性和工作原理，以及使用該器件的簡單應用電路。

我們將看到隧道二極管如何用于將熱量轉化為電能，并為小型電池充電。

概述

在從半導體世界中消失了很長時間之后，隧道二極管實際上已經重新啟動，因為它可以實現將熱能轉化為電能。隧道二極管也被稱為江崎二極管，以其日本發明者的名字命名。

在十九世紀五十年代和六十年代，隧道二極管在許多應用中得到實施，主要是在射頻電路中，它們的非凡品質被用于生產極快的液位傳感器、振蕩器、混頻器等。

隧道二極管的工作原理

與標準二極管相比，隧道二極管通過使用具有令人難以置信的大摻雜水平的半導體物質來工作，導致p

-n結之間的耗盡層變得比最快的硅二極管窄約1000倍。

一旦隧道二極管正向偏置，整個p -n結開始發生稱為電子流“隧穿”的過程。

摻雜半導體中的“隧穿”實際上是一種使用傳統原子假設不容易理解的方法，也許不能在這篇小文章中涵蓋。

隧道二極管正向電壓與電流的關系

在測試隧道二極管的正向電壓UF和電流IF之間的關系時，我們可以發現該裝置在峰值電壓Up和谷值電壓Uv之間具有負電阻特性，如下圖所示。

因此，當二極管在其IF-UF曲線的陰影區域內上電時，正向電流會隨著電壓的上升而下降。二極管的電阻毫無疑問是負的，通常表示為-Rd。

本文介紹的設計利用了隧道二極管的上述質量，通過實現一組串行連接的隧道二極管器件，通過太陽熱量（不是太陽能電池板）為電池充電。

如下圖所示，七個或更多的鎵銻銻（GISp）隧道二極管串聯起來并夾在一個大散熱器上，這有助于防止其功率耗散（隧道二極管隨著UF的升高或增加而變冷）。

散熱器用于有效積累太陽熱量或可能施加的任何其他形式的熱量，其能量需要轉換為充電電流，以便為擬議的鎳鎘電池充電。

使用隧道二極管將熱量轉換為電能（熱電）

這種特殊配置的工作原理實際上非常簡單。想象一下，一個普通的、自然的電阻R能夠通過電流I=V/R對電池放電，這意味著負電阻將能夠啟動同一電池的充電過程，僅僅是因為I的符號被顛倒了，即：-I=V/-R。

同樣，如果正常電阻允許P=PR瓦特散熱，負電阻將能夠為負載提供相同數量的瓦數：P = -It-R。

當負載本身是一個內阻相對降低的電壓源時，負電阻當然必須產生更大的電壓水平，以便充電電流Ic流動，由公式給出：

ic= δ［ σ（uf） - ubat］ / σ （rd）+rbat

參考注釋Σ（Rd），可以立即理解，串序列中的所有二極管都必須在-Rd區域內運行，主要是因為任何具有+Rd特性的單個二極管都可能終止目標。

測試隧道二極管

為了確保所有二極管都呈現負電阻，可以設計一個簡單的測試電路，如下圖所示。

請注意，應指定儀表以指示電流的極性，因為很可能發生特定二極管的IP：IV比（隧道斜率）非常過大的情況，導致電池在實現小正向偏置時意外充電。

分析必須在低于7°C的大氣溫度下進行（嘗試使用清理過的冰箱），并通過精確增加通過電位計的正向偏置并記錄由此產生的IF幅度，記下每個二極管的UF-IF曲線，如儀表讀數所示。

接下來，將FM收音機靠近，以確保正在測試的二極管不會以94.67284 MHz振蕩（頻率，對于摻雜水平為10-7的GISp）。

如果發現這種情況發生，特定的二極管可能不適合本應用。確定保證幾乎所有二極管的-Rd的OF范圍。根據可用批次中二極管的制造閾值，該范圍可能最小至180至230

mV。

應用電路

隧道二極管從熱量中產生的電力可用于為小型鎳鎘電池充電。

首先確定通過最小電流為電池充電所需的二極管數量：對于上述UF選擇，至少必須串聯七個二極管，以便在加熱到以下溫度水平時提供約45

mA的充電電流：

Γ ［ -Σ （Rd）If］［ δ （Rth-j） - RΘ］。√（Td+Ta）°C

或者當散熱器的熱阻不超過 35.3 K/W 并且安裝在峰值陽光下 （Ta 5°C） 時，大約

26°C。為了從該鎳鎘充電器中獲得最大效率，散熱器必須是深色的，以便與二極管進行最佳的熱交換。

此外，考慮到任何類型的外部場，無論是感應的還是磁性的，都會導致隧道內電荷載流子的不穩定刺激，它不得具有磁性。

因此，這可能會帶來毫無戒心的管道效應;電子可能會從基板上的P -n結被擊落，從而在二極管端子周圍積聚，根據金屬外殼的不同，觸發可能的危險電壓。

遺憾的是，BA7891NG型的幾個隧道二極管對最微小的磁場非常敏感，測試證明，這些二極管需要保持相對于地球表面的水平才能阻止這種情況。

使用隧道二極管演示太陽能熱能發電的原始原型