Was ist eine Gunn-Diode?
Was ist eine Gunn-Diode?
Gunn-Diode-Definition
Eine Gunn-Diode ist ein passives Halbleiterbauelement mit zwei Anschlüssen, das nur aus n-dotiertem Halbleitermaterial besteht, im Gegensatz zu anderen Dioden, die aus einer p-n-Übergangsschicht bestehen. Gunn-Dioden können aus Materialien hergestellt werden, die mehrere, anfänglich leere, eng beieinander liegende Energietales in ihrem Leitungsbereich aufweisen, wie Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Galliumnitrid (GaN), Cadmiumtellurid (CdTe), Cadmiumsulfid (CdS), Indiumarsenid (InAs), Indiumantimonid (InSb) und Zinkselenid (ZnSe).
Der allgemeine Herstellungsprozess umfasst das Wachsen einer epitaktischen Schicht auf einem entarteten n+ Substrat, um drei n-dotierte Halbleiterschichten zu bilden (Abbildung 1a), wobei die äußeren Schichten im Vergleich zur mittleren, aktiven Schicht stärker dotiert sind.
Weiterhin werden Metallkontakte an beiden Enden der Gunn-Diode angebracht, um die Vorspannung zu ermöglichen. Das Schaltzeichen für eine Gunn-Diode ist in Abbildung 1b dargestellt und unterscheidet sich von dem normaler Dioden, um den Mangel an p-n-Übergang anzuzeigen.
Wenn eine Gleichspannung auf eine Gunn-Diode angewendet wird, entwickelt sich ein elektrisches Feld über ihre Schichten, insbesondere in der zentralen aktiven Region. Anfangs nimmt die Leitfähigkeit zu, da Elektronen vom Valenzband in das untere Tal des Leitungsbands wechseln.
Die zugehörige Spannungs-Strom-Kennlinie ist durch die Kurve in Bereich 1 (rosa eingefärbt) in Abbildung 2 dargestellt. Allerdings nimmt der Strom durch die Gunn-Diode nach Erreichen eines bestimmten Schwellwertes (Vth) ab, wie durch die Kurve in Bereich 2 (blau eingefärbt) in der Abbildung gezeigt.
Dies liegt daran, dass bei höheren Spannungen die Elektronen im unteren Tal des Leitungsbands in sein höheres Tal wechseln, wodurch ihre Mobilität aufgrund einer Zunahme ihrer effektiven Masse abnimmt. Die Reduzierung der Mobilität verringert die Leitfähigkeit, was zu einer Abnahme des durch die Diode fließenden Stroms führt.
Dadurch zeigt die Diode einen negativen Widerstandsabschnitt in der Spannungs-Strom-Kennlinie, der vom Spitzenpunkt bis zum Tiefpunkt reicht. Dieser Effekt wird als Transfer-Elektroneneffekt bezeichnet, und Gunn-Dioden werden auch als Transfer-Elektron-Bauelemente bezeichnet.
Es ist weiter zu beachten, dass der Transfer-Elektroneneffekt auch Gunn-Effekt genannt wird und nach John Battiscombe Gunn (J. B. Gunn) benannt ist, der 1963 entdeckte, dass man Mikrowellen erzeugen kann, indem man eine konstante Spannung über einen Chip aus n-dotiertem GaAs-Halbleiter legt. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass das Material, das zur Herstellung von Gunn-Dioden verwendet wird, notwendigerweise n-dotiert sein muss, da der Transfer-Elektroneneffekt nur für Elektronen und nicht für Löcher gilt.
Da GaAs ein schlechter Leiter ist, erzeugen Gunn-Dioden viel Wärme und benötigen einen Wärmeableiter. Bei Mikrowellenfrequenzen bewegt sich ein Stromimpuls über die aktive Region, der bei einer bestimmten Spannung initiiert wird. Diese Impulsbewegung reduziert das Potenzialgefälle und verhindert die weitere Impulsbildung.
Ein neuer Stromimpuls kann erst dann generiert werden, wenn der vorherige Impuls das Ende der aktiven Region erreicht hat und das Potenzialgefälle wieder erhöht. Die Zeit, die der Stromimpuls braucht, um die aktive Region zu durchqueren, bestimmt die Impulsgenerationsrate und die Arbeitsfrequenz der Gunn-Diode. Um die Oszillationsfrequenz zu variieren, muss die Dicke der zentralen aktiven Region angepasst werden.
Es ist weiter zu beachten, dass die Art der negativen Widerstandseigenschaft, die die Gunn-Diode aufweist, es ihr ermöglicht, sowohl als Verstärker als auch als Oszillator zu arbeiten, wobei letzterer als Gunn-Diode-Oszillator oder Gunn-Oszillator bekannt ist.
Vorteile der Gunn-Diode
Sie sind die günstigste Quelle für Mikrowellen (im Vergleich zu anderen Optionen wie Klystronröhren)
Sie haben eine kompakte Größe
Sie arbeiten über einen großen Bandbreitenbereich und weisen eine hohe Frequenzstabilität auf.
Nachteile der Gunn-Diode
Sie haben eine hohe Einschaltspannung
Sie sind unter 10 GHz weniger effizient
Sie weisen eine schlechte Temperaturstabilität auf.
Anwendungen
In elektronischen Oszillatoren zur Erzeugung von Mikrowellenfrequenzen.
Als Pumpquelle in parametrischen Verstärkern.
In Polizeiradaren.
Als Sensoren in Türöffnungssystemen, Eindringersicherheitssystemen, Fußgängersicherheitssystemen usw.
Als Quelle für Mikrowellenfrequenzen in automatischen Türöffnern, Verkehrsleitsystemen usw.
In Mikrowellenempfangsschaltungen.
