Hvad er en Gunn-diode?
Hvad er en Gunn-diode?
Gunn-diode Definition
En Gunn-diode er en passiv halvlederkomponent med to terminaler, der består udelukkende af n-døbet halvledermaterial, i modsætning til andre dioder, der består af en p-n-forbindelse. Gunn-dioder kan fremstilles af materialer, der har flere, oprindeligt tomme, tæt placerede energidal i deres ledningsbånd, som Gallium Arsenid (GaAs), Indium Fosfid (InP), Gallium Nitrid (GaN), Kadmium Tellurid (CdTe), Kadmium Sulfid (CdS), Indium Arsenid (InAs), Indium Antimonid (InSb) og Zinc Selenid (ZnSe).
Den generelle fremstillingsproces indebærer at vokse et epitaksial lag på en degenere n+ substrat for at danne tre n-type halvlederlag (Figur 1a), hvor de yderste lag er stærkt døbte i forhold til det midterste, aktive lag.
Derudover er metalkontakter placeret på hver ende af Gunn-dioden for at lette biasing. Kreditsymbolet for Gunn-diode vises i figur 1b og adskiller sig fra normal diode for at indikere fraværet af en p-n-forbindelse.
Når en DC-spænding anvendes på en Gunn-diode, opbygges et elektrisk felt over dens lag, især i det centrale aktive område. I begyndelsen øges konduktiviteten, da elektroner bevæger sig fra valensbåndet til den nedre dal i ledningsbåndet.
Den tilhørende V-I-plot vises af kurven i Region 1 (farvet lyserød) i figur 2. Efter at have nået en vis terskelværdi (Vth), falder dog strømmen gennem Gunn-dioden, som vist af kurven i Region 2 (farvet blå) i figuren.
Dette skyldes, at ved højere spændinger flytter elektroner i den nedre dal i ledningsbåndet sig til den øvre dal, hvor deres mobilitet falder på grund af en stigning i deres effektive masse. Reduktionen i mobilitet mindsker konduktiviteten, hvilket fører til en reduktion i strømmen, der løber igennem dioden.
Som resultat viser dioden en negativ resistansregion i V-I-karakteristikkurven, der strækker sig fra toppunktet til dalpunktet. Dette effekt kaldes transferred electron effect, og Gunn-dioder kaldes også Transferred Electron Devices.
Yderligere skal det bemærkes, at transferred electron effect også kaldes Gunn-effekt og er opkaldt efter John Battiscombe Gunn (J. B. Gunn) efter hans opdagelse i 1963, der viste, at man kunne generere mikrobølger ved at anvende en stabil spænding på en chip af n-type GaAs-halvleder. Det er imidlertid vigtigt at bemærke, at materialet, der bruges til at fremstille Gunn-dioder, skal nødvendigvis være af n-type, da transferred electron effect kun gælder for elektroner og ikke for huller.
Da GaAs er en dårlig leder, genererer Gunn-dioder meget varme og har brug for en kølelement. Ved mikrobølghefrencer bevæger en strømpuls sig over det aktive område, initieret ved en bestemt spænding. Denne pulsbevægelse reducerer potentialgradienten, hvilket forhindrer yderligere pulsdannelse.
En ny strømpuls kan kun dannes, når den foregående puls når den fjerne ende af det aktive område, hvilket øger potentialgradienten igen. Tiden, det tager for strømpulsen at bevæge sig over det aktive område, bestemmer pulsgenereringshastigheden og arbejdshfrencen for Gunn-dioden. For at variere oscilleringshfrencen skal tykkelsen af det centrale aktive område justeres.
Yderligere skal det bemærkes, at naturen af den negative resistans, som Gunn-dioden viser, gør, at den kan fungere både som forstærker og osciller, sidstnævnte kendt som en Gunn-diodeoscillator eller Gunn-oscillator.
Forskydninger ved Gunn-diode
Ligger i det faktum, at de er den billigste kilde til mikrobølger (i forhold til andre muligheder som klystronrør)
De er kompakte i størrelse
De fungerer over et stort båndbreddeområde og har høj frekvensstabilitet.
Ulemper ved Gunn-diode
De har en høj tændespænding
De er mindre effektive under 10 GHz
De viser dårlig temperaturstabilitet.
Anvendelser
I elektroniske oscillatorer for at generere mikrobølgefrencer.
I parametrisk forstærkere som pumpkilder.
I politiradarer.
Som sensorer i døråbningsanordninger, ulovlig intrådssystemer, fodgænger-sikkerhedssystemer osv.
Som kilde for mikrobølgefrecer i automatiske døråbnere, trafiksignalstyringer osv.
I mikrobølge-modtagerkredsløb.
