Οι δίοδοι Gunn είναι συσκευές ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή σημάτων μικροκυμάτων χαμηλής ισχύος με απλό και χαμηλό κόστος. Αυτά χρησιμοποιούνται για περισσότερα από 60 χρόνια τώρα. Οι δίοδοι Gunn μπορούν να λειτουργήσουν με συχνότητες που κυμαίνονται από μερικά gigahertz έως πάνω από 100 GHz. Ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον J. B. Gunn της IBM στις αρχές της δεκαετίας του 1960.
Σήμερα, οι δίοδοι Gunn χρησιμοποιούνται εμπορικά σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων γραμμών δεδομένων μικροκυμάτων, ραντάρ χαμηλής ισχύος FM και CW, συναγερμούς εισβολέων κ.λπ. Κάτω από σταθερές παραμέτρους θερμοκρασίας και τάσης, τα κυκλώματα που χρησιμοποιούν αυτές τις διόδους μπορούν να παράγουν 15 mW έως Ισχύς 1 watt και έχουν χαμηλό θόρυβο και εξαιρετική σταθερότητα συχνότητας. Οι δίοδοι όπλου είναι ιδιαίτερα αγαπητές στους λάτρεις για χρήση σε ερασιτεχνικά ραδιόφωνα που λειτουργούν στα 10 GHz.
Κατασκευή
Μια δίοδος Gunn κατασκευάζεται από ένα μόνο κομμάτι πυριτίου τύπου N. Αυτό χωρίζεται σε τρία κύρια τμήματα, όπως φαίνεται στο Σχ. 1.
Οι άνω και κάτω περιοχές της συσκευής περιλαμβάνουν υλικό N+ το οποίο έχει κολλήσει εκτενώς, με αποτέλεσμα ισχυρή αγωγιμότητα για διασύνδεση με τις εξωτερικές παραμέτρους.
Μια συρμάτινη σύνδεση συνδέεται στη αγώγιμη βάση στην οποία είναι εγκατεστημένη η συσκευή. Η βάση της συσκευής χρησιμεύει και ως ψύκτρα για την απορρόφηση της περίσσειας θερμότητας.
Ένας χρυσός σύνδεσμος τοποθετείται στην επάνω επιφάνεια που συνδέεται με τον απέναντι ακροδέκτη της διόδου. Για να εξασφαλιστεί εξαιρετική αγωγιμότητα και σχετική σταθερότητα, ο χρυσός είναι απαραίτητος.
Η ενεργή περιοχή της συσκευής βρίσκεται στη μέση, η οποία είναι λιγότερο ντοπαρισμένη και έχει χαμηλότερη αγωγιμότητα. Αυτό είναι γενικά περίπου 0,5 ohm ανά κυβικό εκατοστό, το οποίο δείχνει ότι σχεδόν όλη η τάση που εφαρμόζεται στη συσκευή διέρχεται από αυτό το στρώμα της διόδου.
Το μέσο πάχος του ενεργού στρώματος της διόδου είναι δέκα μικρά (0,001 cm). Το πάχος του θα διαφέρει προφανώς από τη μια δίοδο στην άλλη επειδή αυτό επηρεάζει πρωτίστως τη συνολική λειτουργία της διόδου. Αυτό σημαίνει ότι η συχνότητα λειτουργίας αυτής της συσκευής είναι κρίσιμο στοιχείο του φύλλου δεδομένων της.
Η δίοδος Gunn έχει μοναδικό σχεδιασμό επειδή είναι κατασκευασμένη εξ ολοκλήρου από υλικό τύπου N και δεν έχει διασταύρωση P-N. Στην ουσία, δεν είναι ένας συμβατικός τύπος διόδου, αλλά λειτουργεί με εντελώς διαφορετικές αρχές.
Πώς λειτουργεί μια δίοδος Gunn
Αν και η λειτουργία μιας διόδου Gunn μπορεί να φαίνεται περίπλοκη, μπορεί να είναι δυνατή η κατανόηση της σε ένα θεμελιώδες επίπεδο.
Η ενεργή κεντρική περιοχή της συσκευής υπόκειται στο μεγαλύτερο μέρος του δυναμικού που δημιουργείται από μια εφαρμοζόμενη τάση. Αυτή η περιοχή είναι εξαιρετικά λεπτή και ακόμη και μια μικρή μετατόπιση τάσης δείχνει μια σημαντική κλίση δυναμικού ή διακύμανση τάσης σε μια ορισμένη απόσταση.
Όπως απεικονίζεται στο Σχ. 2, ένας παλμός ρεύματος αρχίζει να ρέει μέσω της ενεργής ζώνης όταν η εφαρμοζόμενη τάση σε αυτήν φτάσει σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο.
Ως αποτέλεσμα, η υπόλοιπη κλίση δυναμικού της ενεργού περιοχής μειώνεται, γεγονός που σταματά τη δημιουργία πρόσθετων παλμών ρεύματος. Μόνο αφού ο παλμός ρεύματος περάσει στο αντίθετο άκρο της ενεργής ζώνης, η κλίση του υψηλού δυναμικού επιστρέφει, επιτρέποντας τη δημιουργία ενός άλλου παλμού ρεύματος.
Εάν η καμπύλη τάσης και ρεύματος αποτυπωθεί σε γραφική παράσταση, είναι δυνατό να δείτε την περίεργη δραστηριότητα του παλμού ρεύματος από διαφορετική γωνία.
Διαφορά μεταξύ διόδου ανορθωτή και διόδου Gunn
- Οι καμπύλες μιας συμβατικής διόδου ανορθωτή και μιας διόδου Gunn απεικονίζονται στο διάγραμμα στο σχήμα 3 παραπάνω.
- Το ρεύμα μιας συμβατικής διόδου ανορθωτή αυξάνεται με την τάση, ωστόσο αυτή η σχέση δεν είναι πάντα γραμμική.
- Από την άλλη πλευρά, το ρεύμα μιας διόδου Gunn αρχίζει να αυξάνεται και, αφού φτάσει σε μια συγκεκριμένη τάση, αρχίζει να πέφτει πριν αυξηθεί ξανά.
- Οι ιδιότητες ταλάντωσής του προκαλούνται από αυτήν την περιοχή όπου πέφτει, η οποία αναφέρεται ως περιοχή 'αρνητικής αντίστασης'.
Ρύθμιση της συχνότητας
Αν και το πάχος της ενεργής περιοχής καθορίζει τη γενική συχνότητα λειτουργίας, εξακολουθεί να είναι εφικτή η αλλαγή της συχνότητας σε ένα συγκεκριμένο εύρος. Δεδομένου ότι η δίοδος Gunn είναι μια συσκευή μικροκυμάτων, συνήθως εγκαθίσταται σε μια κοιλότητα οδηγού κυμάτων για να δημιουργήσει ένα συντονισμένο κύκλωμα. Η συχνότητα λειτουργίας του καθορίζεται από τη συχνότητα συντονισμού ολόκληρου του συγκροτήματος.
Η διαδικασία συντονισμού μπορεί να επιτευχθεί με ποικίλες μεθόδους. Με την εισαγωγή μιας ρυθμιζόμενης βίδας στην κοιλότητα του κυματοδηγού, θα μπορούσαν να γίνουν μηχανικές αλλαγές, επιτρέποντας μια βασική ένδειξη συντονισμού.
Ωστόσο, ο ηλεκτρικός συντονισμός είναι συνήθως επίσης απαραίτητος και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μία από τις δύο διαφορετικές μεθόδους. Η πρώτη μέθοδος περιλαμβάνει τη σύζευξη μιας διόδου varactor στο κύκλωμα ταλαντωτή Gunn.
Όταν αλλάζει η τάση στη δίοδο varactor, αλλάζει η χωρητικότητα, προκαλώντας αλλαγή της συχνότητας στην οποία αντηχεί ολόκληρο το κύκλωμα.
Αν και αυτή η προσέγγιση είναι φθηνή και απλή στη χρήση, έχει πολλά μειονεκτήματα. Πρώτον, έχει περιορισμένο εύρος λειτουργίας. Δεύτερον, αυτή η τεχνική παράγει πολύ θόρυβο φάσης, ο οποίος μπορεί να μην είναι κατάλληλος για πολλές εφαρμογές.
Χρήση YIG για αποτελεσματική ρύθμιση συχνότητας
Η χρήση υλικού YIG φαίνεται να είναι μια πιο αποτελεσματική τεχνική συντονισμού. Αυτό ενσωματώνει γρανάτη σιδήρου υττρίου, μια σιδηρομαγνητική ουσία.
Όταν η δίοδος Gunn και το YIG εισάγονται στην κοιλότητα, το πραγματικό μέγεθος της κοιλότητας μειώνεται. Ένα πηνίο είναι τοποθετημένο έξω από τον κυματοδηγό για να γίνει αυτό.
Όταν ένα ρεύμα ρέει μέσα από το πηνίο, έχει ως αποτέλεσμα την επέκταση του μαγνητικού όγκου του YIG και τη συστολή της ηλεκτρικής διάστασης της κοιλότητας. Ως αποτέλεσμα, η συχνότητα λειτουργίας αυξάνεται. Ο θόρυβος φάσης μειώνεται σημαντικά με τον συντονισμό YIG και μπορεί να επιτευχθεί μεγάλο εύρος συχνοτήτων.
Χρήση του Gunnplexer για Ερασιτεχνικό Ραδιόφωνο
Ο ταλαντωτής διόδου Gunn είναι ένα στοιχείο ενός εμπορικού πομποδέκτη που προσφέρεται από την Advanced Receiver Research για ερασιτεχνική χρήση ραδιοφώνου. Η συσκευή, που αναφέρεται ως 'Gunnplexer', χρησιμοποιείται για την παραγωγή και τη μετατροπή προς τα κάτω ονομαστικών ερασιτεχνικών σημάτων από 10 GHz στην ερασιτεχνική ζώνη στα 2 μέτρα (144 MHz) ή άλλες χαμηλότερες ενδιάμεσες συχνότητες (IFs).
Το Gunnplexer αποτελείται από μια δίοδο Gunn συνδεδεμένη σε μια κεραία ορθογώνιας κόρνας υψηλής απολαβής μαζί με διόδους μίκτη Schottky που περικλείονται μέσα σε μια κοιλότητα 10 GHz.
Διακυμάνσεις συχνότητας έως και 60 MHz από την κανονική συχνότητα συντονισμού μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας συντονισμό varactor. Η δίοδος Gunn λειτουργεί τόσο ως πομπός όσο και ως τοπικός ταλαντωτής για το IF 2 μέτρων που μετατρέπεται προς τα κάτω.
