Co to jest dioda Gunn?

Co to jest dioda Gunn?

Definicja diody Gunn

Dioda Gunn to pasywne półprzewodnikowe urządzenie z dwoma przewodami, składające się wyłącznie z materiału n-przewodzącego, w przeciwieństwie do innych diod, które składają się z złączu p-n. Diody Gunn mogą być wykonane z materiałów, które zawierają wiele początkowo pustych, blisko ze sobą położonych dolin energetycznych w ich pasmie przewodzenia, takich jak Arsenek Galiu (GaAs), Fosforan Indy (InP), Azotek Galiu (GaN), Tellurk Kadm (CdTe), Sulfid Kadm (CdS), Arsenek Indy (InAs), Antymonid Indy (InSb) i Selenek Cynku (ZnSe).

Ogólna procedura produkcji polega na wzrostach epitaksjalnych warstwy na zdegenerowanej podkładce n+ w celu utworzenia trzech warstw półprzewodników typu n (Rysunek 1a), gdzie skrajne warstwy są mocno domieszkowane w porównaniu do środkowej, aktywnej warstwy.

Następnie na obu końcach diody Gunn są montowane kontakty metaliczne, aby ułatwić obciążenie. Symbol obwodowy dla diody Gunn przedstawiony jest na Rysunku 1b i różni się od symbolu normalnej diody, co ma na celu wskazanie braku złącza p-n.

Gdy do diody Gunn zostanie zastosowane napięcie DC, rozwija się pole elektryczne między jej warstwami, szczególnie w centralnej, aktywnej strefie. Początkowo, przewodzenie zwiększa się, gdy elektrony przechodzą z pasma walencyjnego do dolnej doliny pasma przewodzenia.

Powiązany wykres V-I pokazany jest przez krzywą w Regionie 1 (w kolorze różowym) na Rysunku 2. Jednak po osiągnięciu pewnej wartości progowej (Vth), prąd przewodzenia przez diodę Gunn maleje, jak pokazuje krzywa w Regionie 2 (w kolorze niebieskim) na rysunku.

To jest spowodowane tym, że przy wyższych napięciach elektrony w dolnej dolinie pasa przewodzenia przechodzą do jego górnej doliny, gdzie ich mobilność maleje z powodu wzrostu ich efektywnej masy. Spadek mobilności prowadzi do zmniejszenia przewodzenia, co powoduje zmniejszenie prądu płynącego przez diodę.

W rezultacie, dioda pokazuje region oporu ujemnego na krzywej charakterystyki V-I, obejmujący punkt szczytowy do punktu doliny. Ten efekt nazywany jest efektem przesunięcia elektronów, a diody Gunn są również nazywane urządzeniami z przesunięciem elektronów.

Warto zauważyć, że efekt przesunięcia elektronów jest również nazywany efektem Gunna i nazwany został na cześć Johna Battiscombe'a Gunna (J. B. Gunna) po jego odkryciu w 1963 roku, które pokazało, że można generować mikrofale, stosując stałe napięcie do chipa półprzewodnika typu n GaAs. Należy jednak zauważyć, że materiał używany do produkcji diod Gunn musi być typu n, ponieważ efekt przesunięcia elektronów zachodzi tylko dla elektronów, a nie dla dziur.

Ponieważ GaAs jest słabym przewodnikiem, diody Gunn generują dużą ilość ciepła i wymagają chłodzenia. W częstotliwościach mikrofalowych impuls prądu przemieszcza się przez aktywną strefę, zainicjowany przy określonym napięciu. To przemieszczenie impulsu zmniejsza gradient potencjału, zapobiegając tworzeniu kolejnych impulsów.

Nowy impuls prądu może być wygenerowany dopiero, gdy poprzedni impuls dotrze do dalszego końca aktywnej strefy, zwiększając ponownie gradient potencjału. Czas, jaki potrzebuje impuls prądu, aby przejść przez aktywną strefę, określa tempo generowania impulsów i częstotliwość pracy diody Gunn. Aby zmienić częstotliwość oscylacji, należy dostosować grubość środkowej, aktywnej strefy.

Warto zauważyć, że natura oporu ujemnego występującego w diodzie Gunn umożliwia jej pracę zarówno jako wzmacniacz, jak i oscylator, który jest znany jako oscylator diody Gunn lub Gunn oscylator.

Zalety diody Gunn

• Leżą w tym, że są najtańszym źródłem mikrofal (w porównaniu do innych opcji, takich jak lampa klystronowa)

• Są kompaktowe

• Pracują w szerokim pasmie częstotliwości i mają wysoką stabilność częstotliwościową.

Wady diody Gunn

• Mają wysokie napięcie włączenia

• Są mniej wydajne poniżej 10 GHz

• Wykazują słabą stabilność temperaturową.

Zastosowania

• W oscylatorach elektronicznych do generowania częstotliwości mikrofalowych.

• W wzmacniaczach parametrycznych jako źródła pompujące.

• W radarach policyjnych.

• Jako czujniki w systemach otwierania drzwi, systemach wykrywania wtargnięć, systemach bezpieczeństwa dla pieszych itp.

• Jako źródło częstotliwości mikrofalowych w automatycznych otwieraczach drzwi, kontrolerach sygnalizacji drogowej itp.

• W obwodach odbiorczych mikrofalowych.