負性抵抗の楽しみ II: Unobtanium ロシアン トンネル ダイオード

このシリーズの最初の部分では、2 つの普通のトランジスタで作られた「おもちゃ」の負性微分抵抗回路を取り上げました。 この回路を使用すると、希少部品を調達する必要がなく負性抵抗デバイスの実験が可能になりますが、その性能は大幅に制限されます。 これは、量子トンネル効果を利用して負性微分抵抗特性を作り出す実際のトンネル ダイオードには当てはまりません。 これらの 2 端子デバイスはかつては最速の電子設計を支配していましたが、他のテクノロジーの台頭により、その使用は劇的に減少しました。 その結果、平均的なエ​​レクトロニクスハッカーはおそらく一度も遭遇したことがないでしょう。 それは今日で終わります。

現代のオンライン市場の効率性のおかげで、ダイオードの世界のこれらの珍獣が完全に入手できないわけではありません。 新品のダイオードを個人が手に入れるのは難しいですが、幅広い種類の余剰トンネル ダイオードが eBay で 10 個のロットで 1 ドル程度で今でも見つかります。 新しい設計には最新のテクノロジーをいくらでも活用するほうが良いでしょうが、これらの奇妙なデバイスの特性を探索することは、興味深い学習体験になる可能性があります。

今回の記事では、数年前に購入したロシアの 3И306M ガリウムヒ素トンネル ダイオードについて、エキゾチックな半導体コレクションを深く掘り下げました。 ダイオードだけで何ができるかを見てみましょう。ただし、それが適切な種類の場合です。

[注: 記事内の画像はすべて小さいです。 クリックするとフルサイズのバージョンが表示されます]

私は 2016 年に、パルス発生器を使った実験のために、これらの軍用グレードのガリウム砒素ダイオード 10 個のセットを購入しました。 キリル文字「И」が英語の「I」に対応するため、この部分が「3I306M」としてリストされている場合もあります。 w140.com の TekWiki には、ロシアの余剰ダイオードに関する優れたページと、トンネル ダイオード、特に古典的な Tektronix オシロスコープで使用されているトンネル ダイオードに関する優れた一般情報があります。 一部のダイオードは、増幅器、パルス発生器、またはスイッチング回路での使用に最適化されています。 3И306M データシート (PDF、ロシア語) から、この特定のダイオード (スイッチング タイプ) に関する情報を収集できますが、I/V 特性を生成するカーブ トレーサーを使用して一部のパラメータを直接測定する方が簡単であることがわかりました。デバイスの曲線。

前回の記事では、信号発生器、10 オームの抵抗器、オシロスコープにすぎない、簡単に使えるカーブ トレーサを紹介しました。 この方法の問題点についても触れました。スコープの画面上の電流測定によって電圧測定が損なわれるということです。 理想的なのは、トレース データをキャプチャして、誤差を補正できるお気に入りのグラフ ソフトウェアで曲線をプロットすることです。 今回はまさにそれを実行し、トレースを CSV ファイルとしてエクスポートし、matplotlib を使用して Python でプロットを生成しました。

曲線からわかるように、デバイスを流れる電流は、電圧が 150 mV まで増加するにつれて、最初は約 11 mA まで増加します。150 mV の時点で、電流は約 500 uA まで急激に低下し、その後再び増加します。 これは負性微分抵抗 (NDR) 領域で、電圧が増加すると電流が低下します。 この曲線の興味深い点は、この領域内の 2 つの点だけがキャプチャされたことです。 電圧測定の波形を見ると、何が起こっているのかが分かります。ダイオードが非常に高速でオンとオフを切り替えています。

このダイオードはスイッチングを目的としているため、鋭いエッジを生成するのは当然です。 これをより詳しく見るために、密接にはんだ付けされた 2 つの BNC ジャックからテスト ジグを作成しました。トンネル ダイオードは BNC 端子全体にはんだ付けされています。 一方の端を 50 オームの信号発生器に接続し、もう一方の端を 50 オームの終端オシロスコープに接続すると、ダイオードの非常に高速なスイッチング速度をテストできます。

ダイオードのスイッチング時間は入力波形とは無関係であるように思われるため、電圧がしきい値に達するとダイオードが切り替わります。そのため、約 100 kHz の三角波形で駆動しました。 出力遷移の立ち下がり時間は 900 ps 未満で測定しましたが、立ち上がり時間は 1.1 ns とわずかに長かったです。 これは、部品が 1 つだけある回路 (信号発生器を無視した場合) としては非常に印象的です。 もしあなたがそのようなことに興味があるなら、これは古典的な 555 オシレーターの遅延 100 ns エッジをシャープにするための単なるチケットかもしれません。