Diodele Gunn sunt dispozitive semiconductoare care sunt utilizate pentru a genera semnale cu microunde de putere redusă într-un mod simplu și cu costuri reduse. Acestea sunt folosite de mai bine de 60 de ani. Diodele Gunn pot funcționa cu frecvențe variind de la câțiva gigaherți la peste 100 GHz. A fost descoperit pentru prima dată de J. B. Gunn de la IBM la începutul anilor 1960.
Astăzi, diodele Gunn sunt utilizate comercial într-o gamă largă de aplicații, inclusiv linii de date cu microunde, radare FM și CW de putere redusă, alarme de efracție, etc. În condiții stabile de temperatură și tensiune, circuitele care utilizează aceste diode pot genera 15 mW până la 1 watt de putere și au zgomot redus și stabilitate excelentă a frecvenței. Diodele pentru pistol sunt îndeosebi apreciate de entuziaști pentru a fi utilizate în radiourile de amatori care funcționează la 10 GHz.
Constructie
O diodă Gunn este fabricată dintr-o singură bucată de siliciu de tip N. Acesta este împărțit în trei secțiuni primare, așa cum se vede în Fig. 1.
Regiunile superioare și inferioare ale dispozitivului includ material N+ care a fost dopat pe scară largă, rezultând o conductivitate puternică pentru interfața cu parametrii externi.
O conexiune prin cablu este atașată la baza conducătoare pe care este instalat dispozitivul. Baza dispozitivului servește și ca un radiator pentru a absorbi căldura în exces.
O legătură de aur este plasată pe suprafața superioară care se conectează cu terminalul opus al diodei. Pentru a asigura o conductivitate excepțională și o stabilitate relativă, aurul devine esențial.
Regiunea activă a dispozitivului este situată în mijloc, care este mai puțin dopată și are o conductivitate mai mică. Aceasta este în general în jur de 0,5 ohmi pe centimetru cub, ceea ce indică faptul că aproape toată tensiunea aplicată pe dispozitiv trece prin acest strat al diodei.
Grosimea medie a stratului activ al diodei este de zece microni (0,001 cm). Grosimea sa ar diferi în mod evident de la o diodă la alta, deoarece acest lucru afectează în primul rând funcționarea generală a diodei. Aceasta înseamnă că frecvența de funcționare a acestui dispozitiv este un element critic al fișei sale de date.
Dioda Gunn are un design unic deoarece este realizată în întregime din material de tip N și nu are o joncțiune P-N. În esență, nu este un tip convențional de diodă, ci funcționează mai degrabă pe principii cu totul diferite.
Cum funcționează o diodă Gunn
Deși funcționarea unei diode Gunn poate părea complexă, este posibil să o înțelegem la un nivel fundamental.
Regiunea centrală activă a dispozitivului este supusă majorității potențialului creat de o tensiune aplicată. Această regiune este extrem de subțire și chiar și o mică schimbare de tensiune arată un gradient potențial semnificativ sau o fluctuație de tensiune pe o anumită distanță.
După cum este ilustrat în Fig. 2, un impuls de curent începe să curgă prin zona activă atunci când tensiunea aplicată peste ea atinge un anumit nivel.
Ca urmare, restul gradientului de potențial al regiunii active scade, ceea ce oprește generarea de impulsuri de curent suplimentare. Numai după ce pulsul de curent trece la capătul opus al zonei active, gradientul de potențial ridicat revine, permițând generarea unui alt impuls de curent.
Dacă curba de tensiune și curent este trasată, este posibil să se vadă activitatea particulară a impulsului curent dintr-un unghi diferit.
Diferența dintre o diodă redresoare și o diodă Gunn
- Curbele unei diode redresoare convenționale și ale unei diode Gunn sunt prezentate în diagrama din Figura 3 de mai sus.
- Curentul unei diode redresoare convenționale crește odată cu tensiunea, totuși această relație nu este întotdeauna liniară.
- Pe de altă parte, curentul unei diode Gunn începe să crească și, după ce atinge o anumită tensiune, începe să scadă înainte de a crește din nou.
- Proprietățile sale de oscilație sunt cauzate de această regiune în care scade, care este denumită regiune de „rezistență negativă”.
Setarea Frecvenței
Deși grosimea regiunii active determină frecvența generală de operare, este totuși posibilă modificarea frecvenței într-un interval specific. Deoarece dioda Gunn este un dispozitiv cu microunde, este de obicei instalată într-o cavitate de ghidare de undă pentru a genera un circuit reglat. Frecvența sa de funcționare este determinată de frecvența de rezonanță a întregului ansamblu.
Procesul de reglare poate fi realizat printr-o varietate de metode. Prin introducerea unui șurub reglabil în cavitatea ghidului de undă, s-ar putea face modificări mecanice, permițând un indicator de reglare de bază.
Cu toate acestea, reglarea electrică este de obicei necesară, de asemenea, și ar putea fi utilizată una dintre cele două metode diferite. Prima metodă implică cuplarea unei diode varactor în circuitul oscilator Gunn.
Când tensiunea de pe dioda varactor este schimbată, capacitatea se schimbă, determinând schimbarea frecvenței la care rezonează întregul circuit.
Deși această abordare este ieftină și simplu de utilizat, are multe dezavantaje. În primul rând, are un domeniu de operare limitat. În al doilea rând, această tehnică produce mult zgomot de fază, care ar putea să nu fie adecvat pentru multe aplicații.
Utilizarea YIG pentru ajustarea eficientă a frecvenței
Utilizarea unui material YIG pare a fi o tehnică de reglare mai eficientă. Acesta încorporează ytriu fier granat, o substanță feromagnetică.
Când dioda Gunn și YIG sunt introduse în cavitate, dimensiunea efectivă a cavității scade. O bobină este poziționată în afara ghidului de undă pentru a face acest lucru.
Când un curent trece prin bobină, are ca efect extinderea volumului magnetic al YIG-ului și contractarea dimensiunii electrice a cavității. Ca urmare, frecvența de operare crește. Zgomotul de fază este redus semnificativ cu acordarea YIG și s-ar putea obține o gamă mare de frecvență.
Utilizarea Gunnplexer pentru radio amatori
Oscilatorul cu diodă Gunn este o componentă a unui transceiver comercial oferit de Advanced Receiver Research pentru utilizarea radioamatorilor. Dispozitivul, denumit „Gunnplexer”, este folosit pentru a produce și a converti în jos semnalele nominale de amatori de la 10 GHz în banda de amatori pe 2 metri (144 MHz) sau alte frecvențe intermediare inferioare (IF).
Gunnplexerul constă dintr-o diodă Gunn atașată la o antenă corn dreptunghiulară cu câștig mare împreună cu diode mixer Schottky închise într-o cavitate de 10 GHz.
Variațiile de frecvență de până la 60 MHz față de frecvența de rezonanță normală pot fi realizate folosind reglarea varactor. Dioda Gunn funcționează atât ca transmițător, cât și ca oscilator local pentru IF-ul de 2 metri convertit în jos.
