Negistor - ujemna rezystancja w praktyce
Egzotyczny generator
Na początek odrobina teorii:
Zjawisko tunelowe zwane też efektem tunelowym – zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości większej niż energia cząstki, opisane przez mechanikę kwantową. Z punktu widzenia fizyki klasycznej stanowi paradoks łamiący klasycznie rozumianą zasadę zachowania energii, gdyż cząstka przez pewien czas przebywa w obszarze zabronionym przez zasadę zachowania energii.
Prościej mówiąc zjawisko to polega na przedostaniu się cząstki przez przeszkodę, przez którą nie może się ona przedostać. Zjawisko to jest typowe dla mikroświata i opisywane przez zasady mechaniki kwantowej. Można je wytłumaczyć dwojako: dzięki funkcji falowej i dzięki zasadzie nieoznaczoności Heisenberga. Według pierwszej interpretacji prawdopodobieństwo ujawnienia cząstki po przeciwnej stronie przeszkody może wzrosnać powyżej prawdopodobieństwa zaistnienia cząstki przed przeszkodą, dzięki czemu dla obserwatora zewnętrznego nastąpi momentalny przeskok przez nieprzenikliwą barierę. Z zasady nieoznaczoności wynika natomiast, że w bardzo krótkim czasie energia cząstki może wzrosnąć na tyle, że będzie większa od wysokości bariery potencjału i będzie się ona mogła znaleźć się po jej drugiej stronie. W tej interpretacji zjawisko to nie będzie przenikaniem, a raczej wirtualnym przeskokiem ponad przeszkodą. O ile sam przeskok pozostaje wirtualny, o tyle zlokalizowanie cząstki poza przeszkodą jest już zupełnie realne.
No dobrze. Tyle teoria. Czy jednak takie zjawisko może mieć wpływ na nasze życie? Żyjemy w makroświecie i może się wydawać, że tego typu zjawiska są dla nas nieuchwytne: raczej nie zdarza się byśmy nagle "tunelowali się" na drugą stronę ściany. Jest to jednak związane jedynie z prawdopodobieństwem zajścia takiego zdarzenia. By stwierdzić efekt tunelowy naocznie na jakimś obiekcie musielibyśmy być świadkiem zajścia zjawiska tunelowego na wszystkich atomach tego obiektu i to w sposób skoordynowany. Prawdopodobieństwo zajścia takiego zjawiska jest tak znikome, że na spontaniczną manifestację należałoby czekać wiele miliardów lat.
Okazuje się jednak, że zjawisko tunelowe pełni bardzo ważną funkcję w naszym życiu i w funkcjonowaniu całego wszechświata. Fuzja jądrowa będąca źródłem energii Słońca zachodzi w dużym stopniu dzięki zjawisku tunelowemu. Zjawisko to umożliwia pokonanie bariery odpychania kulombowskiego jąder atomów w temperaturze niższej, niż wynikałoby to z praw termodynamiki. Efekt tunelowy stwarza również nadzieję na obniżenie temperatury fuzji przeprowadzanej w sposób kontrolowany. Dzięki zjawisku tunelowemu następuje emisja cząstek α w procesie rozpadu promieniotwórczego masywnych jąder atomowych.
We współczesnej technice na zjawisku tunelowym oparte jest funkcjonowanie wielu półprzewodnikowych elementów elektronicznych, na przykład diod tunelowych.
-Oho! - Początkujący elektronik nadstawi uszu.
-Dioda Tunelowa? A cóż to?
Już śpieszę z wyjaśnieniem. Dioda tunelowa, zwana inaczej diodą Esakiego jest diodą półprzewodnikową, w której złączu spolaryzowanym w kierunku zaporowym zachodzi zjawisko tunelowe. Powoduje ono, że dioda taka ma dla pewnego zakresu napięć polaryzujących ujemną rezystancją dynamiczną. Oznacza to, że w pewnym zakresie dla rosnącej na diodzie różnicy potencjałów prąd płynący przez nią spada! Obrazuje to poniższy wykres:
Taką charakterystykę uzyskuje się w złączach silnie domieszkowanych, bowiem jest w nich możliwe przejście tunelowe nośników z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia zarówno z obszaru półprzewodnika typu p do n, jak i z obszaru n do p. Czas tunelowego przejścia nośników jest rzędu 10-13s, dlatego diody tego typu wykorzystuje się do wytwarzania, wzmacniania i detekcji słabych drgań wysokich częstości (rzędu kilkuset gigaherców), w układach impulsowych (np. cyfrowych) oraz jako elementy aktywne generatorów (dzięki ujemnej rezystancji dynamicznej). Niżej przedstawiam wygląd diody tunelowej typu GE1N3716 w porównaniu z wielkością zworki-jumpera.
Diody tego typu są jednak dosyć rzadkim towarem i ich cena nie należy do najniższych. Cóż ma począć elektronik-amator, który dodatkowo nie chce topić w swoim hobby całych oszczędności? Nie ma sytuacji bez wyjścia. Nawet stosując powszechnie dostępne elementy możemy się zapoznać ze zjawiskiem tunelowania kwantowego i ujemnej rezystancji dynamicznej.
Dioda tunelowa "Zrób To Sam", albo negistor.
Sięgnijmy do szuflady po tranzystor bipolarny, typu npn. Spójrzmy też na jego symbol:
Zlokalizujmy jego trzy elektrody: kolektor(C), bazę(B) i emiter(E). Faktem jest, że wykorzystując same złącza baza-emiter i baza-kolektor możemy tranzystor zastosować jako dobrej jakości diody:
- złącze B-C jako szybką diodę impulsową o małym prądzie wstecznym (wspaniała do zastosowań w układach detekcji)
- złącze B-E jako diodę Zenera
Jeśli pokombinujemy dalej i sprawdzimy właściwości złącza E-C, pozostawiając bazę nie podłączoną to zdziwimy się, ponieważ nie będzie się ono zachowywać jak szeregowe połączenie diody Zenera i zwykłej diody impulsowej. Takie podłączenie (w kierunku zaporowym) nazywamy właśnie podłączeniem negistorowym, a tranzystor pracujący w ten sposób negistorem. Układ ten pozwala wykorzystać tranzystor jako upragnioną przez nas diodę tunelową.
Z podanej wcześniej definicji wynika, że negistor (dioda tunelowa) powinna dobrze sprawować się jako generator drgań elektrycznych. Zestawmy więc taki bardzo prosty obwód:
Na pierwszy rzut oka po spojrzeniu na ten schemat każdemu elektronikowi jeżą się włosy: baza tranzystora "wisi w powietrzu" do niczego nie podłączona, zaś tranzystor jest podłączony odwrotnie niż możnaby się tego spodziewać. Odwrotne podłączenie pozwala negistorowi pracować w koniecznych dla niego warunkach zaporowych. Działanie układu przedstawia się następująco:
- po podłączeniu zasilania kondensator zacznie się ładować przez rezystor, napięcie na nim będzie wzrastało,
- kiedy napięcie na kondensatorze osiągnie pewną wartość zaczną grać rolę efekty tunelowe w negistorze co objawi się ujemną rezystancją dynamiczną, kondensator rozładuje się przez negistor i głośniczek,
- napięcie na kondensatorze spadnie do wartości, przy której zaniknie ujemna rezystancja, prąd przestanie płynąć przez negistor i głośniczek, a kondensator zacznie się ponownie ładować, cykl się zamknie
Przy zastosowanych wartościach rezystora i kondensatora głośnik wydaje wysoki ton. Po zmianie wartości kondensatora ze 100nF na 2200uF, i zastąpieniu głośniczka diodą LED otrzymamy najprostszy możliwy migacz. Można zauważyć, że jest to w rzeczywistości generator relaksacyjny działający przy dużo niższych napięciach niż tradycyjny generator z lampą gazowaną czyli neonówką (która w odpowiednich warunkach wykazuje także ujemną rezystancję dynamiczną). Zestawione przeze mnie układy mozna zobaczyć niżej:
Trzeba jednak zaznaczyć, że dla takich improwizowanych diod tunelowych najniższe napięcie działania wynosi około 8-10 woltów. Przy niższych napięciach powyższy układ z pewnością nie będzie działał. Dodatkowo nie wszystkie egzemplarze tranzystorów dają ten efekt. Należy więc wybrać działający metodą prób i błędów.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa:
- Esaki L., Arakawa Y., Kitamura M., Esaki diode is still a radio star, half a century on, Nature, 2010, 464(7285), str. 31
- Mathews P.T., Wstęp do mechaniki kwantowej, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, 1977, str. 61
- Phares R., The Mysterious "Negistor", A negative-resistance element, disguised as a transistor, with many udeful applications, Popular Electronics, 1975, 10, str. 69-70
- Syrzycki A., Laboratorium elektrotechniki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1999, str. 48
- Turner L.W., Electronics Engineer's Reference Book, 4th ed., Newnes-Butterworth, 1976, str. 8-18
Marek Ples