Dioda Gunna
Dioda Gunna , znana również jako urządzenie z przeniesionymi elektronami ( TED ), jest formą diody , półprzewodnikowego elementu elektronicznego z dwoma końcówkami , o ujemnej rezystancji , stosowanego w elektronice wysokiej częstotliwości . Opiera się na „efektie Gunna” odkrytym w 1962 roku przez fizyka JB Gunna . Jego największe zastosowanie to oscylatory elektroniczne do generowania mikrofal , w zastosowaniach takich jak pistolety radarowe , przekaźniki mikrofalowe nadajniki łącza danych i automatyczne otwieracze drzwi.
Jego konstrukcja wewnętrzna różni się od innych diod tym, że składa się tylko z materiału półprzewodnikowego domieszkowanego N , podczas gdy większość diod składa się z obszarów domieszkowanych zarówno P, jak i N. Dlatego przewodzi w obu kierunkach i nie może prostować prądu przemiennego, jak inne diody, dlatego niektóre źródła nie używają terminu dioda , ale wolą TED. W diodzie Gunna istnieją trzy obszary: dwa z nich są silnie domieszkowane azotem na każdym zacisku, z cienką warstwą materiału słabo domieszkowanego n pomiędzy nimi. Gdy do urządzenia zostanie przyłożone napięcie, gradient elektryczny będzie największy na cienkiej warstwie środkowej. Jeśli napięcie zostanie zwiększone, prąd płynący przez warstwę najpierw wzrośnie, ale ostatecznie, przy wyższych wartościach pola, właściwości przewodzące warstwy środkowej zostaną zmienione, zwiększając jej rezystywność i powodując spadek prądu. Oznacza to, że dioda Gunna ma obszar ujemna rezystancja różnicowa w swojej charakterystyce prądowo-napięciowej , w której wzrost przyłożonego napięcia powoduje spadek prądu. Ta właściwość pozwala mu wzmacniać się , działając jako wzmacniacz częstotliwości radiowej lub stać się niestabilnym i oscylować, gdy jest spolaryzowany napięciem stałym.
Oscylatory diodowe Gunna
Ujemna rezystancja różnicowa w połączeniu z właściwościami czasowymi warstwy pośredniej odpowiada za największe zastosowanie diody: w oscylatorach elektronicznych przy częstotliwościach mikrofalowych i wyższych. Oscylator mikrofalowy można stworzyć po prostu przez przyłożenie stałego w celu ustawienia urządzenia w obszarze jego ujemnej rezystancji. W efekcie ujemna rezystancja różnicowa diody znosi dodatnią rezystancję obwodu obciążenia, tworząc w ten sposób obwód o zerowej rezystancji różnicowej, który będzie wytwarzał spontaniczne oscylacje. Częstotliwość oscylacji zależy częściowo od właściwości środkowej warstwy diody, ale może być dostrojony przez czynniki zewnętrzne. W praktycznych oscylatorach rezonator elektroniczny jest zwykle dodawany do kontroli częstotliwości, w postaci falowodu , wnęki mikrofalowej lub kuli YIG . Dioda jest zwykle montowana wewnątrz wnęki. Dioda znosi rezystancję stratną rezonatora, więc wytwarza oscylacje przy swojej częstotliwości rezonansowej . Częstotliwość można dostroić mechanicznie, dostosowując rozmiar wnęki lub w przypadku kul YIG, zmieniając pole magnetyczne . Diody Gunna służą do budowy oscylatorów w zakresie częstotliwości od 10 GHz do THz .
z arsenku galu są wykonane dla częstotliwości do 200 GHz, materiały z azotku galu mogą osiągać do 3 teraherców .
Historia
Dioda Gunna jest oparta na efekcie Gunna i obie są nazwane na cześć fizyka JB Gunna . W IBM w 1962 roku odkrył ten efekt, ponieważ odmówił zaakceptowania niespójnych wyników eksperymentów z arsenkiem galu jako „szumu” i ustalił przyczynę. Alan Chynoweth z Bell Telephone Laboratories wykazał w czerwcu 1965 r., że tylko mechanizm przeniesionych elektronów może wyjaśnić wyniki eksperymentów. Zdano sobie sprawę, że oscylacje, które wykrył, zostały wyjaśnione przez teorię Ridleya-Watkinsa-Hilsum , nazwaną na cześć brytyjskiego fizyka Briana Ridleya Tom Watkins i Cyril Hilsum , którzy w pracach naukowych w 1961 r. wykazali, że półprzewodniki masowe mogą wykazywać ujemną rezystancję , co oznacza, że zwiększenie przyłożonego napięcia powoduje spadek prądu .
Efekt Gunna i jego związek z efektem Watkinsa – Ridleya – Hilsuma weszły do literatury elektronicznej na początku lat 70. XX wieku, np. W książkach o urządzeniach z przeniesionymi elektronami, a ostatnio o nieliniowych metodach falowych do transportu ładunku.
Jak to działa
Elektroniczna struktura pasmowa niektórych materiałów półprzewodnikowych , w tym arsenku galu (GaAs), ma inne pasmo energetyczne lub podpasmo oprócz pasm walencyjnych i przewodnictwa , które są zwykle stosowane w urządzeniach półprzewodnikowych . To trzecie pasmo ma wyższą energię niż normalne pasmo przewodnictwa i jest puste, dopóki nie zostanie dostarczona energia promująca do niego elektrony. Energia pochodzi z energii kinetycznej elektronów balistycznych , to znaczy elektrony w paśmie przewodnictwa, ale poruszające się z wystarczającą energią kinetyczną, aby mogły dotrzeć do trzeciego pasma.
Te elektrony albo zaczynają się poniżej poziomu Fermiego i mają wystarczająco długą średnią drogę swobodną, aby uzyskać potrzebną energię poprzez przyłożenie silnego pola elektrycznego, albo są wtryskiwane przez katodę o odpowiedniej energii. Po przyłożeniu napięcia do przodu poziom Fermiego w katodzie przechodzi do trzeciego pasma, a odbicia elektronów balistycznych rozpoczynające się wokół poziomu Fermiego są minimalizowane przez dopasowanie gęstości stanów i użycie dodatkowych warstw interfejsu, aby pozwolić falom odbitym na destrukcyjną interferencję.
W GaAs efektywna masa elektronów w trzecim paśmie jest większa niż w zwykłym paśmie przewodnictwa, więc ruchliwość lub prędkość dryfu elektronów w tym paśmie jest mniejsza. Wraz ze wzrostem napięcia przewodzenia coraz więcej elektronów może dotrzeć do trzeciego pasma, powodując ich wolniejszy ruch, a prąd płynący przez urządzenie maleje. Tworzy to obszar ujemnej rezystancji różnicowej w relacji napięcie/prąd.
Kiedy do diody zostanie przyłożony wystarczająco wysoki potencjał, gęstość nośnika ładunku wzdłuż katody staje się niestabilna i tworzą się małe segmenty o niskiej przewodności, podczas gdy reszta katody ma wysoką przewodność. Większość spadku napięcia na katodzie wystąpi w całym segmencie, więc będzie miał wysokie pole elektryczne. Pod wpływem tego pola elektrycznego będzie się przemieszczać wzdłuż katody do anody. Nie jest możliwe zrównoważenie populacji w obu pasmach, więc zawsze będą cienkie wycinki o dużym natężeniu pola na ogólnym tle o niskim natężeniu pola. Czyli w praktyce przy niewielkim wzroście napięcia przewodzenia na katodzie tworzy się odcinek o niskim przewodnictwie, rezystancja wzrasta, segment przesuwa się wzdłuż pręta do anody, a gdy dotrze do anody jest absorbowany i tworzy się nowy segment na katodzie, aby utrzymać stałe napięcie całkowite. Jeśli napięcie zostanie obniżone, każdy istniejący plaster zostanie wygaszony, a rezystancja ponownie spadnie.
Metody laboratoryjne stosowane do selekcji materiałów do produkcji diod Gunna obejmują kątową spektroskopię fotoemisyjną .
Aplikacje
Ze względu na ich zdolność do wysokich częstotliwości, diody Gunna są używane głównie przy częstotliwościach mikrofalowych i wyższych. Przy tych częstotliwościach mogą wytwarzać jedną z najwyższych mocy wyjściowych spośród wszystkich urządzeń półprzewodnikowych. Ich najczęstszym zastosowaniem są oscylatory , ale są one również wykorzystywane we wzmacniaczach mikrofalowych do wzmacniania sygnałów. Ponieważ dioda jest z jednym portem (dwa zaciski), obwód wzmacniacza musi oddzielać wychodzący wzmocniony sygnał od wejściowego sygnału wejściowego, aby zapobiec sprzężeniu. Jednym wspólnym obwodem jest wzmacniacz odbiciowy , który wykorzystuje cyrkulator rozdzielać sygnały. Potrzebny jest trójnik polaryzacji , aby odizolować prąd polaryzacji od oscylacji o wysokiej częstotliwości.
Czujniki i przyrządy pomiarowe
Oscylatory diodowe Gunna służą do generowania mocy mikrofalowej dla: lotniczych radarów unikania kolizji , przeciwblokujących się hamulców , czujników do monitorowania przepływu ruchu, detektorów radarów samochodowych , systemów bezpieczeństwa pieszych, rejestratorów „przebytej odległości”, detektorów ruchu , „wolnych prędkości” "czujniki (do wykrywania ruchu pieszego i ruchu do 85 km/h (50 mil/h)), sterowniki sygnalizacji świetlnej, automatyczne otwieracze drzwi, automatyczne bramki drogowe, sprzęt kontrolny do monitorowania przepustowości, alarmy antywłamaniowe i sprzęt do wykrywania intruzów, czujniki do unikanie wykolejeń pociągów, zdalne czujniki wibracyjne, obrotomierze, mierniki wilgotności.
Amatorski użytek radiowy
Ze względu na działanie przy niskim napięciu diody Gunna mogą służyć jako generatory częstotliwości mikrofalowych dla nadajników- odbiorników mikrofalowych o bardzo małej mocy (kilka miliwatów) zwanych Gunnplexerami . Po raz pierwszy zostały użyte przez brytyjskich radioamatorów pod koniec lat 70. XX wieku, a wiele projektów Gunnplexer zostało opublikowanych w czasopismach. Zwykle składają się z około 3-calowego falowodu, w którym zamontowana jest dioda. Zasilacz prądu stałego o niskim napięciu (poniżej 12 woltów), który można modulować odpowiednio, służy do sterowania diodą. Falowód jest zablokowany na jednym końcu, tworząc wnękę rezonansową, a drugi koniec zwykle zasila antenę tubową . Do falowodu wkładana jest dodatkowa „ dioda miksująca ”, która często jest podłączana do zmodyfikowanego odbiornika FM , aby umożliwić słuchanie innych stacji amatorskich. Gunnplexery są najczęściej używane w pasmach 10 GHz i 24 GHz pasma krótkofalarskie, a czasami alarmy bezpieczeństwa 22 GHz są modyfikowane, ponieważ diodę (diody) można umieścić w lekko przestrojonej wnęce z warstwami folii miedzianej lub aluminiowej na przeciwległych krawędziach, aby przejść do licencjonowanego pasma amatorskiego. Zwykle dioda miksera, jeśli jest nienaruszona, jest ponownie używana w istniejącym falowodzie, a te części są dobrze znane z wyjątkowo wrażliwej na wyładowania elektrostatyczne. W większości jednostek komercyjnych ta część jest chroniona rezystorem równoległym i innymi komponentami, a wariant jest używany w niektórych zegarach atomowych Rb. Dioda miksera jest przydatna w zastosowaniach o niższej częstotliwości, nawet jeśli dioda Gunna jest osłabiona w wyniku użytkowania, a niektórzy entuzjaści krótkofalarstwa używali ich w połączeniu z zewnętrznym oscylatorem lub diodą Gunna o długości fali n/2 do wyszukiwania satelitów i innych zastosowań.
Radioastronomia
Oscylatory Gunna są używane jako oscylatory lokalne w odbiornikach radioastronomicznych na falach milimetrowych i submilimetrowych. Dioda Gunna jest zamontowana we wnęce dostrojonej do rezonansu z podwójną częstotliwością podstawową diody. Długość wnęki zmienia się poprzez regulację mikrometryczną. Dostępne są oscylatory Gunn zdolne do generowania ponad 50 mW w zakresie strojenia 50% (jedno pasmo falowodu).
Częstotliwość oscylatora Gunna jest mnożona przez mnożnik częstotliwości diody dla zastosowań fal submilimetrowych.
| Kontrola władz : Biblioteki narodowe |
|---|
