Mikä on Gunn-diode?

Mikä on Gunn-diode?

Gunn-dioden määritelmä

Gunn-diode on passiivinen kahteterminen semanttinen laite, joka koostuu vain n-tyyppisestä semanttisesta materiaalista, toisin kuin muut diodit, jotka koostuvat p-n-yhdistymästä. Gunn-diodit voidaan valmistaa materiaaleista, joissa on useita, aluksi tyhjiä, lähelle sijoitettuja energia-kuiluja niiden johtavassa vyöhykkeessä, kuten gallium arsenidi (GaAs), indium fosfiidi (InP), gallium nitriidi (GaN), sinkki teluuridi (CdTe), sinkki sulfidi (CdS), indium arsenidi (InAs), indium antimonidi (InSb) ja sinkki seleeniidi (ZnSe).

Yleinen valmistusmenetelmä sisältää epitaksiaalisen kerroksen kasvattamisen degeneroidulla n+ substraatilla muodostaakseen kolme n-tyyppistä semanttista kerrosta (Kuva 1a), joissa äärimmäiset kerrokset ovat huomattavasti dotoituja verrattuna keskimmäiseen, aktiiviseen kerrokseen.

Lisäksi metalliyhteystekijät asennetaan Gunn-dioden molempiin päihin vinoitusvoiman helpottamiseksi. Gunn-dioden piirimerkki on kuvattu kuvassa 1b, ja se poikkeaa normaalista diodista osoittaakseen p-n-yhdistymän puuttumisen.

Kun DC-jännite annetaan Gunn-diodeen, siihen kehittyy sähkökenttä sen kerroksien, erityisesti keskimmäisen aktiivisen alueen, yli. Aluksi johtavuus kasvaa, kun elektronit siirtyvät arvovyöhykkeestä johtavan vyöhykkeen alempiin energia-kuiluihin.

Liittyvä V-I-kaavio on näkyvissä kuvion Region 1 (väritetty vaaleanpunaiseksi) käyrässä. Kuitenkin tietyllä kynnysarvolla (Vth) Gunn-diodeen läpi kulkeva johtovirta väheni, kuten kuvion Region 2 (väritetty siniseksi) käyrässä näkyy.

Tämä johtuu siitä, että korkeammilla jännitteillä elektronit siirtyvät johtavan vyöhykkeen alempista energia-kuiluista ylemmään energia-kuiluun, jossa niiden liikkuvuus väheni heidän tehokkaan massansa kasvuun. Liikkuvuuden väheneminen vähensi johtavuutta, mikä johti virtaan, joka kulkee diodin läpi, vähenevään.

Tämän seurauksena diodi esittää negatiivisen vastuusalueen V-I-ominaisuuskäyrässä, joka ulottuu Huippupisteestä Lautaapisteeseen. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä siirretty elektroni-ilmiö, ja Gunn-diotteja kutsutaan myös Siirretty Elektroni Laiteiksi.

Lisäksi on huomattava, että siirretty elektroni-ilmiö tunnetaan myös Gunn-ilmiönä, ja se on nimetty John Battiscombe Gunnin (J. B. Gunn) mukaan hänen löydöksensä vuonna 1963, joka osoitti, että mikroaalloja voi tuottaa soveltamalla vakiojännitettä n-tyypin GaAs-semanttiseen sirulle. On kuitenkin tärkeää huomioida, että Gunn-diodeja valmistettaessa käytettävä materiaali täytyy olla välttämättä n-tyyppinen, sillä siirretty elektroni-ilmiö pätee vain elektroneille eikä reikkeille.

Koska GaAs on huono johtaja, Gunn-diodeet tuottavat paljon lämpöä ja tarvitsevat lämmönsiirtoelementti. Mikroaaltojen taajuudella virtapiikki kulkee aktiivisella alueella, aloitettuna tietystä jännitteestä. Tämä piikin liike vähentää potentiaalin gradienttia, estäen uuden piikin muodostumisen.

Uusi virtapiikki voidaan luoda vasta, kun edellinen piikki saavuttaa aktiivisen alueen toisen päätepisteen, lisääen taas potentiaalin gradientin. Aika, joka kuluu virtapiikin kuljettua aktiivisen alueen läpi, määrittelee piikin luomisnopeuden ja Gunn-dioden toimintataajuuden. Toimintataajuuden vaihtelemiseksi keskimmäisen aktiivisen alueen paksuutta on säädettävä.

Lisäksi on huomattava, että Gunn-diodeen esittämä negatiivinen vastus mahdollistaa sen toiminnan sekä vahvistimena että oskillaattorina, jälkimmäistä kutsutaan Gunn-diode-oskillaattoriksi tai Gunn-oskillaattoriksi.

Gunn-dioden etumatkat

• Niiden edusta siinä, että ne ovat halvin mikroaaltojen lähde (vertailun takia klystronputkia koskeviin vaihtoehtoihin)

• Ne ovat kompakteja kokoonpanoissa

• Ne toimivat suurella taajuusvyöhykkeellä ja omistavat korkean taajuusstabiilisuuden.

Gunn-dioden haitat

• Niillä on korkea käynnistysjännite

• Ne ovat vähemmän tehokkaita 10 GHz:n alapuolella

• Ne näyttävät heikkoa lämpötilastabiilisuutta.

Sovellukset

• Sähköisissä oskillaattoreissa mikroaaltaotaajuuksien tuotannossa.

• Parametrilaisissa vahvistimissa pumpulähdeina.

• Poliisiradarissa.

• Ovien avaussysteemeissä, rajojen ylittämisdetecktorisysteemeissä, jalankulkijoiden turvallisuussysteemeissä jne.

• Mikroaaltaotaajuuksien lähteinä automaattisissa ovien avaajissa, liikennesignaalien ohjaajissa jne.

• Mikroaaltojen vastaanottopuiteissa.