Hvad er en Gunn Diode? Hvordan det virker?

Prøv Vores Instrument Til At Fjerne Problemer





Gunn dioder er halvlederenheder, der bruges til at generere laveffekt mikrobølgesignaler på en enkel og billig måde. Disse har været i brug i mere end 60 år nu. Gunn-dioder kan arbejde med frekvenser fra et par gigahertz til over 100 GHz. Det blev først opdaget af J. B. Gunn fra IBM i begyndelsen af ​​1960'erne.

I dag bliver Gunn-dioder kommercielt brugt i en lang række applikationer, herunder mikrobølgedatalinjer, laveffekts FM- og CW-radarer, tyverialarmer osv. Under stabile temperatur- og spændingsparametre kan kredsløb, der bruger disse dioder, generere 15 mW til 1 watt effekt og har lav støj og fremragende frekvensstabilitet. Pistoldioder  er især vellidt af entusiaster til brug i amatørradioer, der opererer ved 10 GHz.



Konstruktion

En Gunn-diode er fremstillet af et enkelt stykke N-type silicium. Dette er opdelt i tre primære sektioner, som det ses i fig. 1.

Enhedens top- og bundområder inkluderer N+-materiale, som er blevet grundigt dopet, hvilket resulterer i stærk ledningsevne til grænseflader med de eksterne parametre.



En ledningsforbindelse er fastgjort til den ledende base, som enheden er installeret på. Basen af ​​enheden fungerer også som en køleplade til at absorbere overskydende varme.

Et guldled er placeret på den øverste overflade, som forbinder med diodens modsatte terminal. For at sikre enestående ledningsevne og relativ stabilitet bliver guld essentielt.

Enhedens aktive område er placeret i midten, som er mindre omfattende dopet og har lavere ledningsevne. Dette er generelt omkring 0,5 ohm pr. kubikcentimeter, hvilket indikerer, at næsten al den spænding, der påføres over enheden, passerer gennem dette lag af dioden.

Den gennemsnitlige tykkelse af diodens aktive lag er ti mikron (0,001 cm). Dens tykkelse vil naturligvis variere fra en diode til en anden, fordi dette primært påvirker diodens overordnede funktion. Dette indebærer, at denne enheds driftsfrekvens er et kritisk element i dens datablad.

Gunn-dioden har et unikt design, fordi den udelukkende er lavet af N-type materiale og ikke har et P-N kryds. I bund og grund er det ikke en konventionel type diode, men fungerer efter helt andre principper.

Sådan fungerer en Gunn Diode

Selvom en Gunn-diodes virkemåde kan virke kompleks, kan det være muligt at forstå det på et grundlæggende niveau.

Enhedens aktive centerområde er udsat for størstedelen af ​​potentialet skabt af en påført spænding. Dette område er ekstremt tyndt, og selv et lille spændingsskift viser en betydelig potentialgradient eller spændingsudsving over en vis afstand.

Som illustreret i fig. 2 begynder en strømimpuls at strømme gennem den aktive zone, når den påførte spænding over den når et specifikt niveau.

Som et resultat falder resten af ​​den aktive regions potentielle gradient, hvilket stopper genereringen af ​​yderligere strømimpulser. Først efter at strømimpulsen krydser over til den modsatte ende af den aktive zone, vender højpotentialgradienten tilbage, hvilket giver mulighed for generering af en anden strømimpuls.

Hvis spændings- og strømkurven er plottet ud, er det muligt at se den ejendommelige strømpulsaktivitet fra en anden vinkel.

Forskellen mellem en ensretterdiode og Gunn-diode

  • Kurverne for en konventionel ensretterdiode og en Gunn-diode er afbildet i diagrammet i figur 3 ovenfor.
  • En konventionel ensretterdiodes strøm stiger med spændingen, men dette forhold er ikke altid lineært.
  • På den anden side begynder en Gunn-diodes strøm at stige, og efter at have nået en bestemt spænding begynder den at falde, før den igen stiger.
  • Dens oscillationsegenskaber er forårsaget af dette område, hvor det falder, hvilket omtales som en 'negativ modstandsregion'.

Indstilling af frekvens

Selvom det aktive områdes tykkelse bestemmer den generelle driftsfrekvens, er det stadig muligt at ændre frekvensen over et specifikt område. Da Gunn-dioden er en mikrobølgeenhed, installeres den typisk i et bølgelederhulrum for at generere et tunet kredsløb. Dens driftsfrekvens bestemmes af resonansfrekvensen for hele samlingen.

Tuningprocessen kan udføres på en række forskellige metoder. Ved at indsætte en justerbar skrue i bølgelederhulrummet kunne der foretages mekaniske ændringer, hvilket muliggør en grundlæggende tuning-indikator.

Ikke desto mindre er elektrisk tuning normalt også nødvendig, og en af ​​to forskellige metoder kunne bruges. Den første metode involverer at koble en varactordiode ind i Gunn-oscillatorkredsløbet.

Når spændingen på varaktordioden ændres, ændres kapacitansen, hvilket bevirker, at frekvensen, hvormed hele kredsløbet resonerer, ændres.

Selvom denne fremgangsmåde er billig og enkel at bruge, har den mange ulemper. For det første har den en begrænset rækkevidde. For det andet producerer denne teknik en masse fasestøj, hvilket måske ikke er passende til mange applikationer.

Brug af YIG til effektiv frekvensjustering

Brug af et YIG-materiale ser ud til at være en mere effektiv tuning-teknik. Dette inkorporerer Yttrium Iron Granat, et ferromagnetisk stof.

Når Gunn-dioden og YIG indsættes i hulrummet, formindskes hulrummets effektive størrelse. En spole er placeret uden for bølgelederen for at gøre dette.

Når en strøm løber gennem spolen, har det den effekt, at den udvider YIG's magnetiske volumen og trækker hulrummets elektriske dimension sammen. Som et resultat stiger frekvensen af ​​operationen. Fasestøj reduceres betydeligt med YIG-tuning, og et stort frekvensområde kan opnås.

Brug af Gunnplexer til amatørradio

Gunn-diodeoscillatoren er en komponent i en kommerciel transceiver, der tilbydes af Advanced Receiver Research til amatørradiobrug. Enheden, der omtales som en 'Gunnplexer', bruges til at producere og nedkonvertere nominelle amatørsignaler fra 10 GHz til amatørbåndet på 2 meter (144 MHz) eller andre lavere mellemfrekvenser (IF'er).

Gunnplexeren består af en Gunn-diode fastgjort til en rektangulær hornantenne med høj forstærkning sammen med Schottky-mixerdioder indesluttet i et 10 GHz-hulrum.

Frekvensvariationer på op til 60 MHz fra den normale resonansfrekvens kan opnås ved brug af varaktortuning. Gunn-dioden fungerer både som en sender og en lokaloscillator for den nedkonverterede 2-meters IF.