Какво е диод на Gunn? Как работи?

Диодите на Gunn са полупроводникови устройства, които се използват за генериране на микровълнови сигнали с ниска мощност по прост и евтин начин. Те се използват вече повече от 60 години. Диодите на Gunn могат да работят с честоти, вариращи от няколко гигахерца до над 100 GHz. За първи път е открит от J. B. Gunn от IBM в началото на 60-те години на миналия век.

Днес диодите на Gunn се използват комерсиално в широк спектър от приложения, включително микровълнови линии за данни, FM и CW радари с ниска мощност, аларми срещу крадци и др. При стабилни параметри на температурата и напрежението веригите, използващи тези диоди, могат да генерират 15 mW до 1 ват мощност и имат нисък шум и отлична стабилност на честотата. Пистолетните диоди са особено харесвани от ентусиастите за използване в любителски радиостанции, работещи на 10 GHz.

Строителство

Диодът на Gunn се произвежда от едно парче силиций N-тип. Това е разделено на три основни секции, както се вижда на фиг. 1.

Горната и долната област на устройството включват N+ материал, който е силно легиран, което води до силна проводимост за взаимодействие с външните параметри.

Към проводящата основа, върху която е монтирано устройството, е прикрепена проводна връзка. Основата на устройството служи и като радиатор за абсорбиране на излишната топлина.

Златна връзка е поставена на горната повърхност, която се свързва с противоположния извод на диода. За да се осигури изключителна проводимост и относителна стабилност, златото става от съществено значение.

Активната област на устройството е разположена в средата, която е по-малко легирана и има по-ниска проводимост. Това обикновено е около 0,5 ома на кубичен сантиметър, което показва, че почти цялото напрежение, приложено към устройството, преминава през този слой на диода.

Средната дебелина на активния слой на диода е десет микрона (0,001 cm). Дебелината му очевидно ще се различава от един диод до друг, защото това основно влияе върху цялостната работа на диода. Това означава, че работната честота на това устройство е критичен елемент от неговия лист с данни.

Диодът Gunn има уникален дизайн, тъй като е направен изцяло от материал от N-тип и няма P-N преход. По същество това не е конвенционален тип диод, а по-скоро функционира на съвсем различни принципи.

Как работи диодът на Гън

Въпреки че работата на диода на Gunn може да изглежда сложна, може да е възможно да се разбере на фундаментално ниво.

Областта на активния център на устройството е подложена на по-голямата част от потенциала, създаден от приложено напрежение. Тази област е изключително тънка и дори малко изместване на напрежението показва значителен потенциален градиент или колебание на напрежението на определено разстояние.

Както е показано на фиг. 2, токовият импулс започва да тече през активната зона, когато приложеното напрежение в нея достигне определено ниво.

В резултат градиентът на потенциала на останалата част от активната област намалява, което спира генерирането на допълнителни токови импулси. Едва след като токовият импулс премине към противоположния край на активната зона, високият потенциален градиент се връща, което позволява генерирането на друг токов импулс.

Ако се начертае кривата на напрежението и тока, е възможно да се види особената импулсна активност на тока от различен ъгъл.

Разлика между токоизправителен диод и диод на Гън

• Кривите на конвенционален токоизправителен диод и диод на Gunn са изобразени на диаграмата на фигура 3 по-горе.
• Токът на конвенционален изправителен диод се увеличава с напрежението, но тази връзка не винаги е линейна.
• От друга страна, токът на диода на Gunn започва да нараства и след достигане на определено напрежение започва да спада, преди да се увеличи отново.
• Неговите свойства на трептене се дължат на тази област, където пада, която се нарича област на 'отрицателно съпротивление'.

Настройка на честотата

Въпреки че дебелината на активната област определя общата работна честота, все още е възможно да се промени честотата в определен диапазон. Тъй като диодът на Gunn е микровълново устройство, той обикновено се инсталира във вълноводна кухина, за да генерира настроена верига. Неговата честота на работа се определя от резонансната честота на целия комплект.

Процесът на настройка може да се осъществи по различни методи. Чрез вмъкване на регулируем винт във вълноводната кухина могат да се направят механични промени, позволяващи основен индикатор за настройка.

Въпреки това обикновено е необходима и електрическа настройка и може да се използва един от два различни метода. Първият метод  включва свързване на варакторен диод към осцилаторната верига на Gunn.

Когато напрежението на варакторния диод се промени, капацитетът се променя, което води до промяна на честотата, при която резонира цялата верига.

Въпреки че този подход е евтин и лесен за използване, той има много недостатъци. Първо, той има ограничен работен диапазон. Второ, тази техника произвежда много фазов шум, който може да не е подходящ за много приложения.

Използване на YIG за ефективна настройка на честотата

Използването на YIG материал изглежда е по-ефективна техника за настройка. Това включва итриев железен гранат, феромагнитно вещество.

Когато диодът на Gunn и YIG се вмъкнат в кухината, ефективният размер на кухината намалява. Намотка е разположена извън вълновода, за да направи това.

Когато ток протича през намотката, той има ефект на разширяване на магнитния обем на YIG и свиване на електрическия размер на кухината. В резултат на това честотата на работа се увеличава. Фазовият шум е значително намален с YIG настройка и може да се постигне широк честотен диапазон.

Използване на Gunnplexer за любителско радио

Диодният осцилатор Gunn е компонент на комерсиален приемо-предавател, предлаган от Advanced Receiver Research за радиолюбителска употреба. Устройството, наричано 'Gunnplexer', се използва за производство и преобразуване на номинални любителски сигнали от 10 GHz до любителската лента на 2 метра (144 MHz) или други по-ниски междинни честоти (IF).

Gunnplexer се състои от диод на Gunn, прикрепен към правоъгълна рупорна антена с високо усилване, заедно със смесителни диоди на Шотки, затворени в 10 GHz кухина.

Честотни вариации до 60 MHz от нормалната резонансна честота могат да бъдат постигнати чрез варакторна настройка. Диодът на Gunn работи както като предавател, така и като локален осцилатор за преобразуваната надолу 2-метрова междинна честота.