Cosa è un diodo Gunn?
Cos'è un diodo Gunn?
Definizione del diodo Gunn
Un diodo Gunn è un dispositivo semiconduttore passivo con due terminali, composto esclusivamente da materiale semiconduttore n-dopato, diversamente da altri diodi che consistono in una giunzione p-n. I diodi Gunn possono essere realizzati con materiali che presentano più valli di energia, inizialmente vuote e strettamente spaziate, nella loro banda di conduzione, come l'Arsenuro di Gallio (GaAs), il Fosfuro d'Indio (InP), l'Azoto di Gallio (GaN), il Tellururo di Cadmio (CdTe), il Solfo di Cadmio (CdS), l'Arsenuro d'Indio (InAs), l'Antimonio d'Indio (InSb) e il Selenio di Zinco (ZnSe).
Il procedimento di fabbricazione generale prevede la crescita di un epitassiale su un substrato degenerativo n+ per formare tre strati semiconduttori n-tipo (Figura 1a), dove gli strati estremi sono fortemente dopati rispetto allo strato attivo centrale.
Inoltre, vengono forniti contatti metallici alle estremità del diodo Gunn per facilitare il biasing. Il simbolo circuitale per il diodo Gunn è mostrato nella Figura 1b e differisce da quello di un diodo normale per indicare l'assenza della giunzione p-n.
Quando viene applicata una tensione continua a un diodo Gunn, si sviluppa un campo elettrico attraverso i suoi strati, specialmente nella regione attiva centrale. Inizialmente, la conduzione aumenta mentre gli elettroni si muovono dalla banda di valenza alla valle inferiore della banda di conduzione.
Il grafico V-I associato è mostrato dalla curva nella Regione 1 (colorata in rosa) della Figura 2. Tuttavia, dopo aver raggiunto un certo valore soglia (Vth), la corrente di conduzione attraverso il diodo Gunn diminuisce come mostrato dalla curva nella Regione 2 (colorata in blu) della figura.
Questo accade perché, a tensioni superiori, gli elettroni nella valle inferiore della banda di conduzione si spostano nella valle superiore, dove la loro mobilità diminuisce a causa dell'aumento della loro massa effettiva. La riduzione della mobilità diminuisce la conduttività, portando a una diminuzione della corrente che scorre attraverso il diodo.
Di conseguenza, il diodo presenta una regione di resistenza negativa nella curva caratteristica V-I, che va dal punto di picco al punto di valle. Questo effetto è noto come effetto trasferimento di elettroni, e i diodi Gunn sono anche chiamati Dispositivi a Trasferimento di Elettroni.
Inoltre, è importante notare che l'effetto trasferimento di elettroni è anche chiamato effetto Gunn, in onore di John Battiscombe Gunn (J. B. Gunn) dopo la sua scoperta nel 1963, che ha dimostrato che si possono generare microonde applicando una tensione continua su un chip di semiconduttore GaAs n-tipo. È importante sottolineare che il materiale utilizzato per la fabbricazione dei diodi Gunn deve necessariamente essere di tipo n, poiché l'effetto trasferimento di elettroni si verifica solo per gli elettroni e non per i buchi.
Poiché il GaAs è un cattivo conduttore, i diodi Gunn generano un'eccessiva quantità di calore e necessitano di un dissipatore termico. Alle frequenze delle microonde, un impulso di corrente attraversa la regione attiva, iniziato a una tensione specifica. Il movimento di questo impulso riduce il gradiente di potenziale, impedendo la formazione di ulteriori impulsi.
Un nuovo impulso di corrente può essere generato solo quando l'impulso precedente raggiunge l'estremità opposta della regione attiva, aumentando nuovamente il gradiente di potenziale. Il tempo necessario per l'impulso di corrente per attraversare la regione attiva determina la frequenza di generazione degli impulsi e la frequenza operativa del diodo Gunn. Per variare la frequenza di oscillazione, è necessario regolare lo spessore della regione attiva centrale.
Inoltre, è importante notare che la natura della resistenza negativa esibita dal diodo Gunn lo rende adatto a funzionare sia come amplificatore che come oscillatore, quest'ultimo noto come oscillatore a diodo Gunn o Gunn oscillator.
Vantaggi del diodo Gunn
Stanno nel fatto che sono la fonte più economica di microonde (rispetto ad altre opzioni come le tubazioni klystron)
Sono compatti in dimensioni
Operano su una larga banda di frequenza e possiedono alta stabilità di frequenza.
Svantaggi del diodo Gunn
Hanno una tensione di accensione elevata
Sono meno efficienti sotto i 10 GHz
Presentano scarsa stabilità termica.
Applicazioni
Nei generatori di frequenze a microonde.
Come fonti di pompa negli amplificatori parametrici.
Nei radar della polizia.
Come sensori nei sistemi di apertura delle porte, nei sistemi di rilevamento di intrusi, nei sistemi di sicurezza pedonale, ecc.
Come fonte di frequenze a microonde nei sistemi di apertura automatica delle porte, nei controllori di segnalazione stradale, ecc.
Nei circuiti riceventi a microonde.
