Weird Science

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:

Ilustracja

źródło: http://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/a/ae/Dioda-tune­lowa-rd.svg, dostęp: 21.01.2014

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.

Ilustracja

źródło: http://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/b/bd/GE_1N3716_tun­nel_diode.jpg, dostęp: 21.01.2014

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:

Ilustracja

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:

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:

Ilustracja

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:

  1. po pod­łącze­niu zasi­la­nia kon­den­sa­tor zacz­nie się łado­wać przez rezy­stor, napięcie na nim będzie wzra­stało,
  2. 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,
  3. 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:

Ilustracja: negistorowy generator tonu

negistorowy generator tonu

Ilustracja: migacz negistorowy

migacz negistorowy

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:

Marek Ples

Aa