Wat is een Gunn-diode?
Wat is een Gunn-diode?
Definitie van een Gunn-diode
Een Gunn-diode is een passief halfgeleiderapparaat met twee aansluitingen, dat alleen uit n-ge dopeerde halfgeleidermateriaal bestaat, in tegenstelling tot andere dioden die een p-n-overgang bevatten. Gunn-diodes kunnen worden gemaakt van materialen die meerdere, oorspronkelijk lege, dicht bij elkaar gelegen energiedalen in hun geleidingsband hebben, zoals Gallium Arsenide (GaAs), Indium Fosfide (InP), Stikstofhoudend Gallium (GaN), Cadmium Telluur (CdTe), Cadmium Sulfide (CdS), Indium Arsenide (InAs), Indium Antimonide (InSb) en Zink Selenide (ZnSe).
De algemene productieprocedure omvat het laten groeien van een epitaxiale laag op een degeneratieve n+ substraat om drie n-type halfgeleiderlagen te vormen (Figuur 1a), waarbij de uiterste lagen zwaarder gedopeerd zijn dan de middelste, actieve laag.
Daarnaast worden metalen contacten aan beide einden van de Gunn-diode geplaatst om polarisatie mogelijk te maken. Het circuitsymbool voor een Gunn-diode wordt weergegeven in Figuur 1b en verschilt van dat van een normale diode om aan te geven dat er geen p-n-overgang aanwezig is.
Wanneer een gelijkspanning wordt toegepast op een Gunn-diode, ontstaat er een elektrisch veld over de lagen, vooral in de centrale actieve regio. Aanvankelijk neemt de geleiding toe doordat elektronen zich verplaatsen van de valentieband naar het lagere dal van de geleidingsband.
De bijbehorende V-I-grafiek wordt weergegeven door de curve in het Gebied 1 (gekleurd in roze) van Figuur 2. Echter, na het bereiken van een bepaalde drempelwaarde (Vth), neemt de geleidingsstroom door de Gunn-diode af, zoals wordt weergegeven door de curve in het Gebied 2 (gekleurd in blauw) van de figuur.
Dit komt omdat, bij hogere spanningen, de elektronen in het lagere dal van de geleidingsband overgaan naar het hogere dal, waar hun mobiliteit afneemt door een toename van hun effectieve massa. De afname van de mobiliteit zorgt voor een afname van de geleidbaarheid, wat leidt tot een afname van de stroom door de diode.
Als gevolg hiervan vertoont de diode een gebied met negatieve weerstand in de V-I-karakteristieke curve, reikend van het Top-punt tot het Dal-punt. Dit effect staat bekend als het overgedragen elektron-effect, en Gunn-diodes worden ook wel Overgedragen Elektron Apparaten genoemd.
Verder moet worden opgemerkt dat het overgedragen elektron-effect ook wel het Gunn-effect wordt genoemd, vernoemd naar John Battiscombe Gunn (J. B. Gunn) na zijn ontdekking in 1963, die aantoonde dat men microwaves kon genereren door een constante spanning aan te leggen over een chip van n-type GaAs-halfgeleider. Het is echter belangrijk op te merken dat het materiaal dat wordt gebruikt voor de fabricage van Gunn-diodes noodzakelijkerwijs van n-type moet zijn, omdat het overgedragen elektron-effect alleen geldig is voor elektronen en niet voor gaten.
Aangezien GaAs een slechte geleider is, produceren Gunn-diodes veel warmte en hebben ze een koeling nodig. Bij microgolffrequenties beweegt een stroomimpuls zich door de actieve regio, geïnitieerd bij een specifieke spanning. Deze impulsbeweging reduceert het potentiaalverschil, waardoor verdere impulsformatie wordt voorkomen.
Een nieuwe stroomimpuls kan alleen worden gegenereerd wanneer de vorige impuls het einde van de actieve regio heeft bereikt, waardoor het potentiaalverschil opnieuw toeneemt. De tijd die nodig is voor de stroomimpuls om door de actieve regio te bewegen, bepaalt het impulsgeneratietempo en de werkfrequentie van de Gunn-diode. Om de oscillatiefrequentie te variëren, moet de dikte van de centrale actieve regio worden aangepast.
Verder moet worden opgemerkt dat de aard van de negatieve weerstand die door de Gunn-diode wordt getoond, het mogelijk maakt om te werken als zowel een versterker als een oscillator, waarvan laatstgenoemde bekend staat als een Gunn-diode oscillator of Gunn oscillator.
Voordelen van de Gunn-diode
Ligt in het feit dat ze de goedkoopste bron van microwaves zijn (in vergelijking met andere opties zoals klystronbuizen)
Ze zijn compact van formaat
Ze werken over een groot bandbreedtespectrum en bezitten hoge frequentiestabiliteit.
Nadelen van de Gunn-diode
Ze hebben een hoge inschakelspanning
Ze zijn minder efficiënt onder 10 GHz
Ze vertonen slechte temperatuurstabiliteit.
Toepassingen
In elektronische oscillators om microgolffrequenties te genereren.
In parametrische versterkers als pompbronnen.
In politieradar.
Als sensoren in deuropeningsystemen, overtredingsdetectiesystemen, voetgangersveiligheidssystemen, enz.
Als bron voor microgolffrequenties in automatische deuropeners, verkeerslichtcontrollers, enz.
In microgolfontvangstcircuits.
