Tunneldioden       

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Schon immer war ich neugierig, mal eine Tunneldiode in Händen zu halten. Bei Ebay konnte ich 2022 welche aus Russland finden. Der nette Händler hat mir noch zwei Ge-Transistoren GT402 dazugelegt, die bis 500 mA schaffen und in NF-Endstufen verwendet wurden.



Eine der Dioden habe ich erstmal an den Komponententester des Oszis gehalten. Man sieht den absteigenden Bereich mit einem negativen Innenwiderstand, der hier blitzschnell übersprungen wird. Damit kann man natürlich einen Oszillator bauen.



Gesagt, getan, dies ist mein erster Tunnel-Oszillator. Er schwingt bei ca. 25 MHz. Ich musste einen sehr niederohmigen Spannungsteiler mit 10 R und 47 R verwenden. Wenn er hochohmiger wird, springt die Diode einfach in den anderen Arbeitspunkt und bleibt dort.



Beim Versuch, eine genau Kennlinie zu messen, kam dies heraus. Das erste Maximum liegt bei 290 mV und 9 mA. Das Minimum liegt bei 600 mV und 0,5 mA. Dazwischen erkennt man einen seltsamen Bereich, wie er nicht im Buche steht. Da gab es offensichtlich HF-Schwingungen auf einer sehr hohen Frequenz. Denn egal wie ich den Aufbau gestaltete, irgendeine Art von Schwingkreis kommt immer dabei heraus. Gemessen habe ich Frequenzen im Bereich 200 MHz bis 500 MHz.



Zweiter Versuch: Die Kennlinie messen

Gerade kam mir ein neuer Gedanke, wie ich die Kennlinie einer Tunneldiode messen könnte, ohne dass es dabei zu Eigenschwingungen kommt. Wenn die Diode auf kurzem Weg mit einem ausreichend niederohmigen Widerstand verbunden wird, sollten Schwingungen verhindert werden. Den Strom durch den Widerstand muss man dann später herausrechnen.



Ein weiterer Widerstand liegt in Reihe zum Labornetzteil, das die einstellbare Spannung U1 liefert. Die Spannung Ud an der Diode wurde mit einem DVM gemessen. Die Messwerte wurden in eine Excel-Tabelle übertragen.



In der Spalte D wurde daraus der Strom I1 vom Netzteil berechnet. Davon kann dann in der Spalte E der Strom durch den Parallelwiderstand der Diode subtrahiert werden. Die Daten zeigen schon, dass der Strom zunächst bis fast 10 mA steigt und dann wieder abfällt. Die Kennlinie sieht nun deutlich realistischer aus.



GaAs-Tunneldiode 3I306M  von Michael Moske



Der Beitrag zur Tunneldiode hatte mich neugierig gemacht, insbesondere weil ich über die genaue Funktionsweise noch nichts wusste. Der Tunneleffekt ist in der Theorie und bei tiefen Temperaturen im Physikstudium Standard. Aber bei Raumtemperatur selbst damit zu experimentieren - das hat mich interessiert (ein gutes Tutorial zur Tunneldiode habe ich hier gefunden:   https://www.elektroniktutor.de/bauteilkunde/tunnel.html ). Daher habe ich mir 2 Tunneldioden besorgt (3I306 M, siehe oben) mit Ip ca. 10 mA. Eine gute Quelle, wo jede Menge unterschiedlicher Typen angeboten werden, ist https://www.mos-electronic-shop.de/tunneldioden-c-87_86.html.



Eine Strom-Spannungsmessung wurde mit direkter Kontaktierung durchgeführt - Diagramm a) - und eine mit zwischengeschalteter Induktivität - Diagramm b) - mit ca. 0.1 µH (gemäß Spulenformeln). Ohne Spule springt die Spannung von ca. 110 mV auf ca. 420 mV ohne Oszillationen dazwischen. Mit Spule hingegen treten im mittleren Bereich starke Oszillationen auf. Die Breite der Oszillationen ist im Diagramm b) mit roten Pfeilen angedeutet, die Messpunkte im mittleren Bereich entsprechen dem Mittelwert der Oszillationsspannung. Unten und oben treten ebenfalls Sprünge auf. Die Oszillationsfrequenz variiert kontinuierlich mit der Diodenspannung von ca. 40 MHz bis ca. 65 MHz und ermöglicht die Anwendung als durchstimmbaren Spannungs-Frequenzwandler. Allerdings besitzen die Frequenzspektrum eine gewisse Breite, sodass Frequenzfilter nötig wären.



Mit Anwendung einer Spannungsrampe bei der Schaltung mit Spule sieht man im Oszi-Bild sehr klar den mittleren Bereich der Oszillationen.



Frequenzscans wurden mit einem RTL-SDR Spectrum Analyzer (RTL2832U mit R820T2) und dem Programm SDR++ (mit Zadig-Treiber für Windows 10) aufgenommen. Dargestellt sind hier exemplarisch drei Scans (unterster, mittlerer und oberster Oszillationsbereich). Bemerkenswert ist, dass die Frequenzspanne zu höheren Frequenzen sehr viel schärfer wird.

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