Diversión con resistencia negativa II: diodos de túnel rusos de Unobtania

En la primera parte de esta serie, vimos un circuito de resistencia diferencial negativa de "juguete" hecho de dos transistores ordinarios. Aunque este circuito permite la experimentación con dispositivos de resistencia negativa sin la necesidad de obtener piezas raras, su rendimiento es muy limitado. Este no es el caso de los diodos de túnel reales que explotan los efectos de túnel cuántico para crear una característica de resistencia diferencial negativa. Si bien estos dispositivos de dos terminales una vez dominaron los proyectos electrónicos más rápidos, su uso se ha reducido drásticamente con el surgimiento de otras tecnologías. Como resultado, el hacker promedio probablemente nunca se ha encontrado con uno. Eso termina hoy.

Debido a la eficiencia del mercado moderno de Internet, estos animales raros del mundo de los diodos no son en absoluto inaccesibles. Aunque es difícil que las personas se interpongan en el camino de los diodos de productos nuevos, todavía se puede encontrar una amplia gama de diodos de túnel restantes en eBay por solo $ 1 cada uno de cada diez. Si bien está mejor con una gran cantidad de tecnología moderna para nuevos proyectos, explorar las funciones de estos dispositivos extraños puede ser una experiencia de aprendizaje interesante.

Para esta entrega, profundicé en mi colección de semiconductores exóticos para algunos diodos de túnel de arseniuro de galio rusos 3I306M que compré hace unos años. Echemos un vistazo a lo que puede hacer con solo un diodo; si es apropiado, eso es todo.

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Diodos de túnel 3I306M

Compré un juego de diez de estos diodos de arseniuro de grado militar en 2016 para algunos experimentos con generadores de pulsos. También puede ver esta parte en la lista como "3I306M", ya que la letra cirílica "И" corresponde a la "I" en inglés. TekWiki en w140.com tiene una buena página sobre diodos rusos redundantes, así como buena información general sobre diodos de túnel, especialmente los que se utilizan en los osciloscopios clásicos de Tektronix. Algunos diodos están optimizados para su uso en amplificadores, generadores de impulsos o para circuitos de conmutación. De la hoja de datos 3И306M (PDF, ruso), podemos recopilar información sobre este diodo en particular, tipo de conmutación, pero me resultó más fácil medir algunos de los parámetros de primera mano con un rastreador de curvas que genera la curva característica de I / V para el dispositivo.

La forma de onda del diodo de túnel muestra bordes afilados

En el último artículo, presenté mi pista curva rápida y sucia, que no es más que un generador de señales, una resistencia de 10 Ohm y un osciloscopio. También mencioné el problema con ese método: que la medición de voltaje está dañada por la medición de corriente en la pantalla de amplitud. Lo ideal es capturar los datos de seguimiento y tratar la curva en su software gráfico favorito, donde podrá compensar el error. Esta vez, eso es exactamente lo que hice, exportar las pistas como un archivo CSV y luego generar la trama en Python a través de matplotlib.

Como puede ver en la curva, la corriente a través del dispositivo inicialmente se arrastra hasta aproximadamente 11 mA con un voltaje ascendente de hasta 150 mV, luego la corriente cae repentinamente a aproximadamente 500 uA antes de aumentar nuevamente. Esta es la región de resistencia diferencial negativa (NDR) donde la corriente cae al aumentar el voltaje. Lo interesante de esta curva es que solo se capturaron dos puntos en esta región. Observar la forma de onda de la medición de voltaje muestra lo que está sucediendo: el diodo se enciende y apaga muy rápidamente.

Cambio de rendimiento

Prueba de tiempo de cambio de diodo de túnel: solo unos pocos conectores BNC soldados entre sí.

Este diodo estaba destinado a cambiar, por lo que tiene sentido que genere bordes afilados. Para ver esto mejor, construí una plantilla de prueba a partir de dos conectores BNC soldados muy juntos: el diodo de túnel está soldado a través de los terminales BNC. Con un extremo conectado a un generador de señal de 50 ohmios y el otro a un osciloscopio terminado de 50 ohmios, esto permite probar la velocidad de conmutación muy rápida del diodo.

El tiempo de caída del diodo túnel es inferior a 1 ns.

El tiempo de conmutación del diodo parece independiente de la forma de onda de entrada; cuando el voltaje alcanza el umbral, el diodo cambia, así que lo conduje en una forma de onda triangular alrededor de 100 kHz. Medí el tiempo de caída de las transiciones de salida a menos de 900 ps, ​​mientras que el tiempo de subida fue un poco más largo a 1,1 ns. Eso es bastante impresionante para un circuito con solo una parte (ignorando el generador de señal). Este podría ser el boleto para afilar los bordes perezosos de 100 ns en un oscilador clásico 555 si te metes en tal cosa.

La desventaja de este circuito, común a todas las aplicaciones de diodos de túnel, es el bajo nivel de salida: estos diodos funcionan a tensiones y corrientes bajas, por lo que no pueden generar salidas de potencia.

Oscilador de 300 MHz

Túnel de diodos de oscilador LC

Si bien este diodo en particular puede haber sido diseñado para un interruptor, se puede presionar fácilmente en un servicio oscilante. Como hice con el circuito de transistores en la Parte I, construí un oscilador LC usando este diodo como elemento activo. La resistencia negativa del diodo de túnel contrarresta la resistencia positiva en el tanque LC, lo que hace que las oscilaciones se acumulen con el tiempo en lugar de disminuir.

Bucle de sonda y oscilador de 300 MHz

El resonador inicialmente consistía en un solo bucle de 9 mm de alambre de cobre paralelo a un capacitor de 2 pF, o eso pensé. Un capacitor cromangiano de 10 nF trata la corriente de retorno a través del diodo, y un suministro de 700 mV alimenta el oscilador, aunque he descubierto que el circuito continuará oscilando hasta 330 mV una vez iniciado.

Este circuito inicialmente osciló a 295 MHz. Cuando cambié el condensador de 2 pF por una parte de 1 pF, y la frecuencia solo subió a 300 MHz, me di cuenta de que la capacitancia del diodo mantiene la frecuencia baja. Al calcular la inductancia del bucle de cable, pude estimar la capacidad del diodo en aproximadamente 18 pF (la hoja de datos solo dice menos de 30 pF). Esta capacitancia de diodo agrega la capacitancia del tanque LC, reduciendo la frecuencia de resonancia.

Oscilador de diodo de túnel de 300 MHz

Por la misma razón, se debe tener cuidado al investigar dicho circuito. Mi sonda de osciloscopio 10x afirma tener una capacidad nominal de 10 pF, lo que tendría un efecto de reducción de frecuencia similar si el circuito se probara directamente. En su lugar, coloqué el clip de tierra en la parte superior de la sonda, formando un bucle de carga inductiva. Mantener los dos bucles juntos funciona como un transformador y proporciona suficiente acoplamiento para detectar la señal y medir la frecuencia. Debido a que el acoplamiento es algo arbitrario, la amplitud de la subida no está calibrada, pero los cambios en el funcionamiento del circuito, por ejemplo, debido a un cambio en la fuente de alimentación, aún son visibles.

Oscila 581 MHz

Oscilador de diodo de túnel de 581 MHz con dos componentes

No contento con 300 MHz, decidí desenchufar el circuito al mínimo para acelerarlo. Acorté los conductores de diodos y los soldé directamente a los de un condensador de eje de 100 pF. En este caso, los propios conductores dan la inductancia necesaria, resonando con la capacitancia del diodo. Nuevamente usando una fuente de 700 mV, encontré que el circuito oscilaba a 581 MHz. No estoy seguro de cómo acelerar esto con viñetas; tal vez alguien pueda sugerir otro método en los comentarios. Resonadores huecos?

Salida de un oscilador de diodo tunelizador de dos componentes a 581 MHz

De todos modos, me parece sorprendente que un dispositivo de dos terminales pueda formar un oscilador de este tipo simplemente. También estoy mucho más agradecido a los diseñadores que han trabajado con estos problemas: la prevención de oscilaciones parásitas no deseadas en los circuitos que utilizan estos diodos debería ser una consideración seria. Esta es también la razón por la que todavía no he intentado construir un amplificador con estos diodos. Hay un viejo refrán que dice que la forma más fácil de construir un oscilador es proyectar un amplificador, y ahora me pregunto si este dicho realmente quedó atrapado durante los días del diodo túnel.

Para medir este oscilador más rápido, construí un bucle de carga más pequeño en el extremo de la sonda del osciloscopio con una longitud de cable de cobre desnudo. No se deje engañar por la forma sinusoidal de aspecto perfecto de la salida; es una señal de 581 MHz medida con una banda de 1 GHz, por lo que no hay suficiente ancho de banda para mostrar muchas distorsiones. Pueden estar presentes o no, pero no podemos saberlo por este equipo. Y, al igual que con el oscilador anterior, el acoplamiento aleatorio del bucle de la sonda crea una escala amplia arbitraria, por lo que no puede comparar las salidas de los dos circuitos.

Lecciones difíciles

Soldar un disipador de calor puede evitar daños térmicos

Estos diodos de arseniuro de galio son tan delicados como fascinantes. De los cuatro diodos que usé en estos experimentos, destruí dos. La primera fue simplemente una cuestión de aplicar demasiada tensión durante una pista curva. El mejor enfoque es probablemente comenzar con un nivel bajo (la región activa está por debajo de 1 V con estos dispositivos) y progresar lentamente. La segunda víctima fue un caso de sobrecalentamiento. La hoja de datos advierte que debe calentar los conductores no más de 3 segundos a una temperatura que no exceda los 260 ° C, y usar un disipador de calor entre el cuerpo del diodo y el punto de soldadura de los conductores. Leí esto después de cocinar demasiado uno. No tenía las pinzas de cobre de 2 mm de ancho recomendadas, pero finalmente me conformé con un fregadero de aluminio con abrazadera que compré originalmente para soldar artículos alemanes.

Los diodos también son sensibles a la estática, y la hoja de datos advierte ominosamente que no los pruebe con un probador de diodos. Ya había probado uno con la función de prueba de diodos en DMM cuando leí esto, y aunque el diodo parece haber sobrevivido, al menos no fue destruido de inmediato, el probador no registró el diodo en ambas polaridades. Entonces, use el diagrama en la hoja de datos para determinar qué extremo es cuál.

La conclusión: si está jugando con estos diodos, tenga cuidado y asegúrese de comprar algunos repuestos.

¿Que sigue?

Así que concluye esta breve serie práctica sobre dispositivos de resistencia negativa. Asegúrese de informarnos en los comentarios si tiene una primera experiencia con estos diodos inusuales o partes similares, especialmente si puede alcanzar uno mucho más rápido que 581 MHz. Tengo muchas ganas de ver gritar a una de estas cosas.

  • dl3pb dice:

    Hace cuatro años hice dos contactos de radio transatlánticos (Ham) (código Morse) con un receptor de radio casero, construido completamente con diodos como los únicos dispositivos activos. Dos diodos de túnel de GaAs rusos con una corriente máxima de 100 mA entregan una potencia de RF de aproximadamente 5 mW, mientras que algunos diodos alemanes de EE. UU. Proporcionan el suministro de CA para la ganancia de sueño necesaria durante la recepción.
    Todos los detalles están en mi página QRZ.com: https://www.qrz.com/db/dl3pb
    Mientras tanto, la radio, en un recinto de madera, está ahora en el estante esperando una mejor difusión en la cinta de 15 m ...
    Pedro

    • Ren dice:

      Sí, pero ¿eran contactos rusos?
      B ^)

      (Diodos rusos, contactos rusos, nada político aquí, adelante)

      • Elliot Williams dice:

        Si vas a jugar ese juego, pensé que "la Alemania estadounidense" es un poco divertido.

        Pero volvamos al tema: un proyecto genial ... échale un vistazo ahora.

        • Ren dice:

          ¡Me perdí ese!
          Gracias por mencionar.

          ps i estoy celoso de que Yapo tenga una banda de 1 GHz!

  • Sale de dice:

    Tengo un viejo libro de proyectos de transistores y diodos escrito por jamón desde el final del Años 60-principios de los 70. Todos los proyectos realmente geniales (en mi humilde opinión) usan túneles de un solo túnel, desafortunadamente, incluso eBay ha hecho muy poco para ayudar ...

  • Coronel Panek dice:

    Estos diodos Russki tienen demasiada inductancia de plomo. Usé 'diodos Murican que tenían líneas de rayas (no recuerdo el número, sin embargo, se registró en JEDEC). Trabajaron mucho en la región de microondas. Definitivamente reemplazarán a los transistores en el día a día.
    Lea el manual de GE TD: http://www.gonascent.com/papers/databook/tdmanual.pdf

  • SparkyGSX dice:

    Me perdí el primer artículo en el que presentaste el camino de la curva improvisada. Es posible obtener la curva en la pantalla sin más procesamiento, incluso si no puede usar el canal matemático.

    Sin embargo, requiere que un osciloscopio y un generador en funcionamiento no compartan una base común. Aplica la señal al DUT y siente una resistencia como antes, pero conecta la tierra ancha a la unión entre el DUT y la resistencia. Un canal mide el voltaje a través del DUT, el otro a través de la resistencia, donde el último mide un voltaje negativo para una corriente positiva, por lo que solo necesita invertirse.

  • Arte Mezins dice:

    Hay otras partes esotéricas completamente olvidadas, como el transistor unifuncional, el MOSFET de dos puertas, diac, IGBT y más ...

    • Preferir Linux dice:

      Los IGBT son bastante modernos y están bien utilizados, ¿verdad? ¿Quizás estás pensando en JFET, triacs y / o SCR?

      • Arte Mezins dice:

        No solo estaba apuntando a las cosas viejas. De hecho, me salté los JFET, las funciones y los SCR porque son tan omnipresentes. Personalmente, nunca he diseñado ni usado nada con IGBT. Pensé que se usaban para dispositivos con superpoderes, mucho más allá de mi alcance. Los DIAC se utilizan comúnmente para insertar TRIAC, pero tienen otros usos. Recientemente me encontré con el SiDAC en un artículo DIAC de Wikipedia que parece ser una extensión de mayor potencia del DIAC y se puede usar en aplicaciones similares a los MOV.

        Otro dispositivo nuevo es la memoria de 3 extremos, similar a la memoria de 2 extremos. Ambos dependen de características funcionales no lineales (por ejemplo, cambio de fase). No usé ninguno, pero algunos podrían argumentar que FRAM es una forma de memistor (usé TI FRAM uC). Algunos incluso podrían argumentar que fue el trabajo temprano de Stanford R. Ovshinsky sobre la memoria ovárica lo que condujo a muchas de las tecnologías de memoria más nuevas que vemos hoy.

        Y no sabemos qué nos traerá el futuro después de que nos concentremos más en la ciencia extraña y curiosa de la nanotecnología.

        • rubypanther dice:

          En mi experiencia, las fuentes de alimentación de las computadoras "siempre" tienen IGBT. A menudo comparte un disipador de calor con un par de diodos.

          • Martín dice:

            Todavía no he visto uno allí. En los dispositivos más antiguos, los BJT y MOSFET se utilizan en los más nuevos. Quizás las fuentes de alimentación de computadora con superpoderes de alrededor de 1kW o más usen IGBT.

    • Chris Maple dice:

      Otro que nunca ha tenido éxito es el transistor de inducción estática.

    • Spencer dice:

      La encarnación original en el transistor también es bastante extraña. Los transistores puntuales se amplifican en una corriente colectora, no en una corriente base, si no recuerdo mal. Cosas extrañas, podrías construir una celda de memoria estable con un transistor.

    • MS-JEFE dice:

      Los MOSFET de dos puertas no están cerca de unobtanie. Puede obtener fácilmente el BF998 en casi cualquier tienda y en cualquier cantidad.

  • mrehorst dice:

    A principios de los 70, creé errores de FM que combinaban tapas de botellas con osciladores de diodos de túnel. No eran muy estables y tendían a variar en frecuencia lo suficiente, pero eran muy pequeños y fáciles de crear.

  • Semiconductores de bricolaje dice:

    Estos dispositivos de resistencia negativa de zinc son divertidos de jugar: http://www.sparkbangbuzz.com/els/zincosc-el.htm

    Son como se describe, puntos negros sobre una tira de chapa de acero galvanizado formada por oxigenación con la llama de un soplete de propano (los vapores de zinc respiran mal, así que hágalo en algún lugar exterior con buena ventilación).

    Son fácilmente reproducibles (a diferencia del tiempo que pasé tratando de ajustar una radio con una maquinilla de afeitar oxidada), funcionan mejor con dos baterías de nueve voltios en serie con una resistencia en serie adicional para limitar la corriente a aproximadamente 5 mA (más corriente destruirá permanentemente el negativo resistencia del dispositivo). Es fácil soldar el otro extremo de la tira de acero lijando el zinc inmediatamente antes de soldar (el acero se oxidará rápidamente hasta que no se pueda soldar, así que lije con papel de lija inmediatamente antes de soldar). Luego pinche el óxido negro en el otro extremo con un alambre como se describe.

    Deberían ser buenos para al menos unos pocos megahercios.

    • dl3pb dice:

      Sí, sin duda la forma más fácil de semiconductores (activos) caseros. Construí una radio de 3.5 MHz con ellos, que entrega hasta 1 MW en un buen día, pero nunca hice contacto debido al alto nivel de ruido en las bandas bajas y la falta de una antena eficiente para frecuencias tan bajas. A frecuencias más altas, la señal se vuelve astuta y la potencia casi no cae. Es por eso que recientemente construí un duplicador de frecuencia pasivo de alta eficiencia (> 90% a 1 mW en) que con suerte permitirá QSO en una banda de 40 m algún día ...

  • Dave dice:

    No olvide que la lámpara de neón baja (por ejemplo, NE-2) muestra una resistencia negativa.

    Además, aunque mencionaste el trabajo de Nyle Steiner con cristales de pirita de hierro, en el primer episodio, reproduje ese trabajo, solo en frecuencias de sonido, en lugar de en RF como lo hizo el Sr. Steiner (Mi sitio web, donde informé esto en 2005, actualmente lo hace no funciona, debido al mantenimiento (¿incompetencia?) del ISP.).

    También hay una cantidad considerable de literatura, desde los primeros días de la radio, sobre "cristales oscilantes", como:

    http://earlyradiohistory.us/1920cry.htm

    Y el Crystodyne:

    http://earlyradiohistory.us/1924cry.htm

    También hay referencias misteriosas al "Refuerzo de cristales" ya en 1910, con algunos trabajos realizados por el Dr. WH Eccles (famoso Eccles-Jordan) y por Greanleaf Whittier Pickard.

    http://earlyradiohistory.us/sec014.htm

    Desafortunadamente, suficiente trabajo realizado por Oleg V. Lossev (¿o es Losev?) En dispositivos de estado sólido, incluidos dispositivos de resistencia negativa, desapareció con él durante la Batalla de Stalingrado, durante la Segunda Guerra Mundial del impacto directo del proyectil de artillería, mientras que otros informes simplemente lo matan de hambre).

    https://eo.wikipedia.org/wiki/Oleg_Losev

    Tenga en cuenta que los cristales amplificadores con los que Losev hizo su trabajo difieren de lo que se convertiría en el transistor de efecto de campo, inventado por Julius Edgar Lilienfeld a mediados de la década de 1920 y principios de la de 1930, mucho antes de que se inventara el transistor tradicional dos décadas más tarde (Desafortunadamente , la física no se entendió hasta mucho después).

    https://eo.wikipedia.org/wiki/Julius_Edgar_Lilienfeld

    Hay información adicional sobre los "cristales oscilantes" de esta edición británica de 1925:

    http://earlywireless.com/pdf/pw_xtal_experimenters_hdbk.pdf

    Para aquellos que se dedican a esto, probablemente deberían llevar una copia del libro de HK Henisch, "Rectifying Semi-conductor Contacts", 1957, Claredon Press, Oxford, o la reedición / facsímil autorizado de University Microfilms, 1972, Ann Arbor, Michigan, que contiene algo de física detrás de los efectos.

    Oh, finalmente, tenga en cuenta que algunos diodos Zener / Avalanche mostrarán resistencia negativa, en alguna parte estrecha de su curva funcional (un investigador indicó que entre el 75 y el 80 por ciento de los diodos Zener / Avalanche bordados muestran la resistencia negativa. ¡Efecto!). Mire la figura 5, en la página 19, del "Manual de consideraciones sobre la teoría y el proyecto de Zener" de On Semi, y observe que estos zigzags en la parte expandida de la curva representan regiones de resistencia negativa. Llaman al efecto la teoría de la "descarga de microplasma".

    https://www.onsemi.com/pub/Collateral/HBD854-D.PDF

    Recuerde también que existen incluso otros dispositivos de resistencia negativa, como los diodos IMPATT.

    Oh, sí, algunas de algunas patentes interesantes pueden ser US755,840, US830,924, US929,582, US1,751,361, US1,751,362.

    Dave

  • JossyCrest dice:

    El diodo de túnel de arseniuro de galio militar ruso 3I306M realmente afecta algunos programas electrónicos.

  • Todd Kroeger dice:

    один - Pronunciación: [ah-DEEN] - Significado: uno

    Encuentra el sustituto del ruso 'и' siendo 'i' en inglés extraño. Para mí siempre fue un sonido largo. Me pregunto si podría haber otra razón para el reemplazo. Sé que no importa, pero cuando leí la declaración, tuve que comprobar si mi memoria del idioma ruso era realmente tan mala.

  • GARY Dirkse dice:

    Los SCR son comunes en los soldadores por puntos. Están refrigerados por agua y manejan de 800 a 1200 amperios. Los coches utilizan miles de SCR. Reemplazan los tubos de ignitrón utilizados anteriormente en la soldadura por puntos.

Alberto Gimenez
Alberto Gimenez

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