چه چیزی دایود گان است

چه چیزی دایود گان است؟

تعریف دایود گان

دایود گان یک دستگاه نیمه‌رسانا بی‌اثر با دو ترمینال است که فقط از مواد نیمه‌رسانا با خازنه n ساخته شده است، به طور مخالف با دیودهای دیگر که شامل یک اتصال p-n هستند. دایودهای گان می‌توانند از موادی مانند آرسنید گالیوم (GaAs)، فسفید انیم (InP)، نیترید گالیوم (GaN)، تلورید کادمیوم (CdTe)، سولفید کادمیوم (CdS)، آرسنید انیم (InAs)، آنتیمونید انیم (InSb) و سلنید روی (ZnSe) که شامل دره‌های انرژی متعدد، ابتدا خالی و به هم نزدیک در باند رسانایی خود هستند، ساخته شوند.

روش عمومی تولید شامل رشد یک لایه اپیتاکسیال بر روی یک زیرلایه n+ تنگ است تا سه لایه نیمه‌رسانا از نوع n تشکیل شود (شکل 1a)، جایی که لایه‌های انتهایی نسبت به لایه میانی فعال، بسیار غنی‌تر هستند.

علاوه بر این، تماس‌های فلزی در هر دو انتها دایود گان فراهم شده تا تسهیل بخشی به بایاس شدن باشد. نماد مداری دایود گان مطابق شکل 1b نشان داده شده و از دیود عادی متفاوت است تا نشان دهد که پ-ان جونکشن وجود ندارد.

وقتی یک ولتاژ مستقیم به دایود گان اعمال می‌شود، یک میدان الکتریکی در لایه‌های آن، به ویژه در منطقه فعال مرکزی، تشکیل می‌شود. در ابتدا، رسانایی با حرکت الکترون‌ها از باند مقدار به دره پایین باند رسانایی افزایش می‌یابد.

نمودار V-I مربوطه توسط منحنی در منطقه 1 (رنگ‌آمیزی شده با رنگ صورتی) شکل 2 نشان داده شده است. با این حال، پس از رسیدن به یک مقدار آستانه خاص (Vth)، جریان رسانایی از طریق دایود گان کاهش می‌یابد مانند منحنی در منطقه 2 (رنگ‌آمیزی شده با رنگ آبی) شکل.

این امر به این دلیل است که در ولتاژ‌های بالاتر الکترون‌های در دره پایین باند رسانایی به دره بالاتر آن حرکت می‌کنند که موبیلتی آن‌ها به دلیل افزایش جرم مؤثر کاهش می‌یابد. کاهش موبیلتی باعث کاهش رسانایی می‌شود که منجر به کاهش جریان عبوری از دیود می‌شود.

به عنوان نتیجه، دیود یک منطقه مقاومت منفی در نمودار مشخصه V-I نشان می‌دهد که از نقطه قله تا نقطه دره می‌گذرد. این اثر به عنوان اثر الکترون منتقل شده شناخته می‌شود و دایودهای گان به عنوان دستگاه‌های الکترون منتقل شده نیز شناخته می‌شوند.

باید توجه داشت که اثر الکترون منتقل شده نیز به عنوان اثر گان شناخته می‌شود و به نام جان باتیسکامب گان (J. B. Gunn) نامگذاری شده است که در سال 1963 کشف کرد که می‌توان با اعمال یک ولتاژ ثابت به یک تکه نیمه‌رسانا از نوع n GaAs میکروویو تولید کرد. با این حال مهم است که بدانیم ماده مورد استفاده برای ساخت دایودهای گان باید حتماً از نوع n باشد زیرا اثر الکترون منتقل شده فقط برای الکترون‌ها و نه برای سوراخ‌ها معتبر است.

از آنجا که GaAs یک رسانا ضعیف است، دایودهای گان گرما بسیار زیادی تولید می‌کنند و به یک سینک گرما نیاز دارند. در فرکانس‌های میکروویو، یک پالس جریان از منطقه فعال عبور می‌کند که در یک ولتاژ خاص شروع می‌شود. حرکت این پالس گرادیان پتانسیل را کاهش می‌دهد و تشکیل پالس‌های بیشتر را مسدود می‌کند.

تنها وقتی که پالس قبلی به انتهای دور منطقه فعال می‌رسد و گرادیان پتانسیل دوباره افزایش می‌یابد، یک پالس جریان جدید می‌تواند تشکیل شود. زمانی که پالس جریان برای عبور از منطقه فعال می‌برد تعیین‌کننده نرخ تولید پالس و فرکانس عملیاتی دایود گان است. برای تغییر فرکانس نوسان، ضخامت منطقه فعال مرکزی باید تنظیم شود.

باید توجه داشت که ماهیت مقاومت منفی که توسط دایود گان نشان داده می‌شود اجازه می‌دهد تا به عنوان هم تقویت‌کننده و هم نوسان‌ساز کار کند، که این آخری به عنوان نوسان‌ساز دایود گان یا نوسان‌ساز گان شناخته می‌شود.

مزایای دایود گان

• در واقع ارزان‌ترین منبع میکروویو (در مقایسه با گزینه‌های دیگر مانند لوله‌های کلیسترون)

• حجم کوچک دارند

• در یک پهنای باند گسترده عمل می‌کنند و پایداری فرکانسی بالایی دارند.

معایب دایود گان

• ولتاژ روشن شدن بالایی دارند

• کمتر از 10 GHz کارایی کمتری دارند

• پایداری دمایی ضعیفی دارند.

کاربردها

• در نوسان‌سازهای الکترونیکی برای تولید فرکانس‌های میکروویو.

• در تقویت‌کننده‌های پارامتریک به عنوان منبع پمپ.

• در رادارهای پلیس.

• به عنوان سنسور در سیستم‌های باز کردن درب، سیستم‌های کشف تجاوز، سیستم‌های ایمنی پیاده‌رو و غیره.

• به عنوان منبع میکروویو در باز کننده‌های درب خودکار، کنترل‌کننده‌های سیگنال ترافیک و غیره.

• در مدارهای دریافت‌کننده میکروویو.