Юному фізику – Експеримент з тунельним діодом, сигнальний пристрій контроля температури на тунельному діоді
Винайшов тунельний діод (ТД) у 1957 році японський фізик Ісакі Леона. В 1973 році він отримав Нобелівську премію з фізики за відкриття явища тунелювання електрона. Тунельні діоди широко використовуються в радіоелектронних приладах.
Тунельний діод або діод Есакі — це тип напівпровідника, який здатний працювати на дуже високих частотах, в діапазоні мікрохвильових частот, що стало можливим завдяки використанню квантовомеханічного ефекту, який називається тунелюванням. Працює за принципом тунельного ефекту.
Тунельний діод — це пристрій із двома виводами, у якому напівпровідник p-типу виконує роль анода, а напівпровідник n-типу — катод. Тунельний діод легований у 1000 разів сильніше, ніж звичайний діод.
Для малих прямих напруг через високу концентрацію носіїв у тунельному діоді та через ефект тунелювання прямий опір буде дуже малим. Зі збільшенням напруги струм також збільшується, поки струм не досягне пікового струму. Якщо напруга, прикладена до тунельного діода, збільшиться за пікову напругу, струм почне зменшуватися. Це область негативного опору. Він переважає до точки долини. У точці долини струм через діод буде мінімальним. За точкою долини тунельний діод діє як звичайний діод.
У стані зворотного зміщення також тунельний діод є чудовим провідником через його високу концентрацію легування. Тунельні діоди виготовляються з арсеніду германію або галію завдяки їх найвищому коливанню пікової напруги до точки долини. Відношення високого пікового струму до струму в долині кількісно визначає максимальне коливання напруги, дозволене в області негативного опору.
Ознайомитися з роботою тунельного діода можливо провівши експеримент з виготовленням генератора з ТД по схемі, приведеній на рис. 1. За допомогою підстроювального резистора R1 виставляєм таку напругу на тунельному діоді щоб робоча точка була на негативному відрізку вольт-амперної характеристики ТД. В схемі використано телефонні капсулі на 50 Ом фірми «TESLA». ТД потребують низькоомного навантаження і з одним телефонним капсулем (навантаження 50 Ом) генерації не відбувається, а при ввімкненні двох телефонних капсулів – навантаження буде 25 Ом, і при цьому ТД працює як генератор. Звук генератора порядку 400 Гц – чутно на відстані 5 м.
Таблиця
U(В) | 0 | 0,08 | 0,1 | 0,12 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,45 | 0,5 | 0,6 | 0,65 |
I (мА) | 0 | 3,94 | 4,34 | 5,18 | 3,21 | 0,65 | 0,73 | 0,94 | 1,51 | 4,06 | 7,5 |
При напрузі на ТД 0,7 В струм через ТД становить 10,25 мА – це вже недопустимий струм через ТД, тому для цього типу ТД подавати більше 0,65 В недопустимо.
Як видно по результатам вимірювань – I max = 5,18 мА при напрузі на ТД 0,12 В і I min = 0,65 мА при напрузі 0,3 В. Максимальна напруга наТД не повинна перевищувати 0,65 В.
Порівнявши ВАХ для двох ТД виявили суттєву відмінність між ними.
Очевидно, що ТД невідомого типу менш потужний, порівняно з ТД типу 3И203А, 1И201А.
Дані про дальність чутності приведені при експерименті з ТД невідомого типу.
ТД невідомого типу добре працює як генераторний – перевірено в приведеній схемі.
Приведену вище схему можливо використати як сигналізатор підвищення температури з датчиком температури з ртутними контактами. Такі датчики випускають на різну температуру: 20 оС,
50 оС, 67 оС, 100 оС та інші значення температури.
Можливо також використати термометр ртутний електроконтактний типу ТПК і виставити любу температуру в межах віцд 0 оС до 100 оС.
Схема сигналізатора з ртутним датчиком приведена на рис. 2.
Цоколівка ТД невідомого типу приведена на рис. 3.
Рис. 3
На фото 2 показано зовнішній вигляд телефонних капсулів.
