Gunnova dioda

Gunnova dioda  - typ polovodičových diod , které nemají ve struktuře pn přechody , se používá ke generování a převodu oscilací v mikrovlnném rozsahu při frekvencích od 0,1 do 100 GHz . Na základě Gunnova jevu  - fenoménu oscilací proudu ve víceúdolním vodiči, když je na něj aplikováno silné elektrické pole, objevil John Gunn v roce 1963 .

Na rozdíl od jiných typů diod není princip fungování Gunnovy diody založen na procesech v pn přechodu, to znamená, že všechny jeho vlastnosti nejsou určeny účinky, které se vyskytují na přechodech dvou různých polovodičů, ale vlastní nelineární vlastnosti použitého polovodičového materiálu.

V sovětské literatuře byly Gunnovy diody nazývány zařízeními s hromadnou nestabilitou nebo s intervalovým přenosem elektronů, protože aktivní vlastnosti diod jsou způsobeny přechodem elektronů z „centrálního“ energetického údolí (energetického minima) do „bočního“ údolí, kde mají již nízkou pohyblivost a velkou účinnou hmotu . V zahraniční literatuře se Gunnova dioda nazývá TED ( Transferred Electron Device  - zařízení s přenosem elektronů).

Na základě Gunnova jevu byly vytvořeny generátorové a zesilovací diody, které se používají jako pumpgenerátory v parametrických zesilovačích, heterodyny v superheterodynních přijímačích, generátory v nízkovýkonových vysílačích a v měřicí technice.

Konstrukce a princip činnosti

Gunnova dioda je tradičně obdélníková galliumarsenidová deska s ohmickými kontakty na opačných stranách. Aktivní část Gunnovy diody - délka vysokoodporové vrstvy má obvykle délku 1 až 100 μm s koncentrací dopantových donorových nečistot 10 14 -10 16 cm -3 . V tomto materiálu jsou ve vodivém pásmu dvě energetická minima, která odpovídají dvěma stavům elektronů  - tzv. "těžké" a "lehké" elektrony. Proto se vzrůstající intenzitou elektrického pole průměrná driftová rychlost elektronů roste, dokud pole nedosáhne určité kritické hodnoty, a poté klesá, přičemž má tendenci k rychlosti nasycení.

Pokud je tedy na diodu přivedeno napětí, které překračuje součin kritické intenzity pole a tloušťky vrstvy arsenidu galia v diodě, stane se rovnoměrné rozložení síly po tloušťce vrstvy nestabilní. Pokud pak dojde k malému zvýšení intenzity pole i v tenké oblasti, elektrony umístěné blíže k anodě „ustoupí“ z této oblasti do ní, protože jsou méně pohyblivé, a elektrony umístěné v blízkosti katody se budou snažit „ustoupit“ dohnat“, přičemž výsledná dvojitá vrstva se pohybuje směrem k anodovým nábojům. Při pohybu bude intenzita pole v této vrstvě plynule narůstat a mimo ni bude klesat, dokud nedosáhne rovnovážné hodnoty.

Taková pohyblivá dvojitá vrstva nábojů s vysokou intenzitou elektrického pole uvnitř se nazývá doména silného pole a napětí, při kterém se vyskytuje, je prahové napětí.

V okamžiku nukleace domény je proud diodou maximální. Jak se doména tvoří, proud klesá a na konci formace dosahuje svého minima. Dosažení anody je doména zničena a proud se opět zvýší. Jakmile ale dosáhne svého maxima, vytvoří se na katodě nová doména. Frekvence, se kterou se tento proces opakuje, je nepřímo úměrná délce polovodičového krystalu, přímo úměrná rychlosti domény a nazývá se tranzitní frekvence .

Na CVC polovodičového zařízení je přítomnost padajícího úseku nedostatečnou podmínkou pro vznik mikrovlnných oscilací v něm, ale nezbytnou. Výskyt oscilací znamená, že v polovodičovém krystalu vzniká nestabilita. Charakter této nestability závisí na parametrech polovodiče (dopingový profil krystalu, jeho rozměry, koncentrace nosiče atd.).

Když je Gunnova dioda umístěna v rezonátoru, jsou možné další generační režimy, ve kterých může být kmitočet oscilací nižší i vyšší než je tranzitní kmitočet. Účinnost takového generátoru je poměrně vysoká, ale maximální výkon nepřesahuje 200-300 mW .

Významný je vliv ohmických (neusměrňovacích) kontaktů na krystal. Existují dva přístupy k vytvoření nízkoodporových ohmických kontaktů potřebných k napájení proudu pro provoz Gunnových diod:

Kromě arsenidu galia (GaAs) a fosfidu india (InP, používaného při frekvencích do 170 GHz ) se epitaxní růst používá při výrobě diod, nitrid galia (GaN) se také používá k výrobě Gunnových diod . U diod z tohoto materiálu bylo dosaženo nejvyšší frekvence kmitání - až 3 THz .

Aplikace

Gunnovou diodu lze použít k vytvoření oscilátoru s generačními frekvencemi od stovek kilohertzů až po jednotky terahertzů. Při frekvencích pod 1 GHz nemají Gunnovy diodové oscilátory a zesilovače žádnou výhodu oproti tradičním tranzistorovým oscilátorům, a proto se používají jen zřídka. Generační frekvence je dána především délkou polovodičové desky, ale může být naladěna v určitém frekvenčním rozsahu, obvykle o 20-30% středové frekvence. Známé generátory s rozsahem ladění frekvence 50 % [1] .

Při frekvencích použití Gunnových diod jsou tradiční oscilační obvody z induktorů a kondenzátorů se soustředěnými parametry neefektivní, proto jsou rezonátory na těchto frekvencích vyráběny ve formě koaxiálních struktur, ve formě vlnovodných segmentů nebo rezonátorů na mikropáskových vedeních .

Nastavení generační frekvence a zesilovací frekvence v takových systémech se provádí jak změnou geometrických rozměrů rezonančních dutin, tak elektricky v malých mezích změnou napájecího napětí.

Diody Gunn mají nízkou úroveň amplitudového šumu a nízké provozní napájecí napětí – od jednotek až po desítky voltů.

Životnost generátorů Gunn je poměrně krátká, což je spojeno se současným působením takových faktorů na polovodičový krystal, jako je silné elektrické pole a přehřátí polovodičového krystalu zařízení výkonem, který se v něm uvolňuje.

Režimy činnosti generátorů na Gunnově diodě

Existuje několik různých režimů použití generátorů založených na Gunnově diodě v závislosti na napájecím napětí, teplotě, povaze zátěže: doménový režim, hybridní režim, režim akumulace náboje s omezeným objemem a režim záporné vodivosti poskytující generování ve frekvenčním rozsahu 1-100 GHz .

V režimu kontinuální generace mají generátory založené na Gunnových diodách účinnost asi 2-4 % a poskytují výstupní výkon od několika miliwattů do několika wattů. Při použití zařízení v pulzním režimu s vysokým pracovním cyklem se účinnost zvyšuje 2-3krát. Speciální širokopásmové rezonanční systémy umožňují přidat k výkonu užitečného výstupního signálu vyšší harmonické kmity a slouží ke zvýšení účinnosti. Tento režim činnosti generátoru se nazývá relaxace.

Nejčastěji používaným módem je doménový mód, ve kterém doména existuje v krystalu po většinu periody oscilace. Doménový režim může být implementován ve třech různých formách: přechodný, se zpožděním při vytváření domén a se zánikem domény. K přechodu mezi těmito typy dochází při změně odporu zátěže a napájecího napětí.

Pro Gunn diody byl také navržen a implementován režim omezení a akumulace vesmírného náboje. Tento režim probíhá při velkých amplitudách napětí na diodě a při frekvencích, které jsou několikanásobně vyšší než tranzitní frekvence, a při průměrných konstantních napětích na diodě, která jsou několikrát vyšší než prahová hodnota. Pro implementaci tohoto režimu však existují určité požadavky: polovodičový materiál diody musí mít velmi rovnoměrný dotační profil. V tomto případě je zajištěno rovnoměrné rozložení elektrického pole a koncentrace elektronů po délce vzorku díky vysoké rychlosti změny napětí na diodě.

Poznámky

  1. ↑ Carlstrom JE, Plambeck RL a Thornton DD A Continuously Tunable 65-115 GHz Gunn Oscillator, IEEE, 1985 [1]

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích
 Polovodičové diody
Po domluvě
LED diody
Oprava
Generátorové diody
Zdroje referenčního napětí
jiný
viz také