Čo je to Gunnova dióda? Ako to funguje?

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





Gunnove diódy sú polovodičové zariadenia, ktoré sa používajú na generovanie nízkoenergetických mikrovlnných signálov jednoduchým a lacným spôsobom. Používajú sa už viac ako 60 rokov. Gunnove diódy môžu pracovať s frekvenciami od niekoľkých gigahertzov až po viac ako 100 GHz. Prvýkrát ho objavil J. B. Gunn z IBM začiatkom 60. rokov minulého storočia.

Dnes sa diódy Gunn komerčne využívajú v širokej škále aplikácií, vrátane mikrovlnných dátových liniek, nízkovýkonových FM a CW radarov, poplašných zariadení proti vlámaniu atď. Pri stabilných teplotných a napäťových parametroch môžu obvody využívajúce tieto diódy generovať 15 mW až 1 watt výkonu a majú nízky šum a vynikajúcu frekvenčnú stabilitu. Zbraňové diódy  obľubujú najmä nadšenci na použitie v amatérskych rádiách pracujúcich na frekvencii 10 GHz.



Stavebníctvo

Gunnova dióda je vyrobená z jedného kusu kremíka typu N. Toto je rozdelené na tri primárne časti, ako je vidieť na obr.

Horná a spodná časť zariadenia obsahuje N+ materiál, ktorý bol značne dopovaný, čo má za následok silnú vodivosť pre prepojenie s vonkajšími parametrami.



K vodivej základni, na ktorej je zariadenie nainštalované, je pripevnené drôtové pripojenie. Základňa zariadenia zároveň slúži ako chladič, ktorý absorbuje prebytočné teplo.

Na hornom povrchu je umiestnený zlatý článok, ktorý sa spája s opačným vývodom diódy. Na zabezpečenie výnimočnej vodivosti a relatívnej stability sa zlato stáva nevyhnutným.

Aktívna oblasť zariadenia je situovaná v strede, ktorá je menej dotovaná a má nižšiu vodivosť. Vo všeobecnosti je to okolo 0,5 ohmu na kubický centimeter, čo znamená, že takmer všetko napätie aplikované cez zariadenie prechádza cez túto vrstvu diódy.

Priemerná hrúbka aktívnej vrstvy diódy je desať mikrónov (0,001 cm). Jeho hrúbka by sa samozrejme líšila od jednej diódy k druhej, pretože to primárne ovplyvňuje celkové fungovanie diódy. To znamená, že prevádzková frekvencia tohto zariadenia je kritickým prvkom jeho údajového listu.

Dióda Gunn má jedinečný dizajn, pretože je celá vyrobená z materiálu typu N a nemá P-N prechod. V podstate nejde o konvenčný typ diódy, skôr funguje na úplne iných princípoch.

Ako funguje Gunnova dióda

Aj keď sa fungovanie Gunnovej diódy môže zdať zložité, môže byť možné jej porozumieť na základnej úrovni.

Aktívna stredová oblasť zariadenia je vystavená väčšine potenciálu vytvoreného aplikovaným napätím. Táto oblasť je extrémne tenká a dokonca aj malý posun napätia ukazuje významný potenciálny gradient alebo kolísanie napätia na určitú vzdialenosť.

Ako je znázornené na obr. 2, prúdový impulz začne prechádzať aktívnou zónou, keď privedené napätie na nej dosiahne špecifickú úroveň.

V dôsledku toho klesá potenciálny gradient zvyšku aktívnej oblasti, čo zastaví generovanie ďalších prúdových impulzov. Až po prechode prúdového impulzu na opačný koniec aktívnej zóny sa gradient vysokého potenciálu vráti, čo umožňuje vygenerovanie ďalšieho prúdového impulzu.

Ak je krivka napätia a prúdu vykreslená, je možné vidieť zvláštnu aktivitu prúdového impulzu z iného uhla.

Rozdiel medzi usmerňovacou diódou a Gunnovou diódou

  • Krivky bežnej usmerňovacej diódy a Gunnovej diódy sú znázornené v diagrame na obrázku 3 vyššie.
  • Prúd konvenčnej usmerňovacej diódy sa zvyšuje s napätím, avšak tento vzťah nie je vždy lineárny.
  • Na druhej strane prúd Gunnovej diódy začína stúpať a po dosiahnutí špecifického napätia začne klesať a potom sa opäť zvýši.
  • Jeho oscilačné vlastnosti sú spôsobené touto oblasťou, kde klesá, čo sa označuje ako oblasť 'záporného odporu'.

Nastavenie frekvencie

Hoci hrúbka aktívnej oblasti určuje všeobecnú prevádzkovú frekvenciu, stále je možné meniť frekvenciu v určitom rozsahu. Keďže Gunnova dióda je mikrovlnné zariadenie, zvyčajne sa inštaluje do dutiny vlnovodu na vytvorenie ladeného obvodu. Jeho frekvencia prevádzky je určená rezonančnou frekvenciou celej zostavy.

Proces ladenia sa môže uskutočniť rôznymi spôsobmi. Vložením nastaviteľnej skrutky do dutiny vlnovodu je možné vykonať mechanické zmeny umožňujúce základný indikátor ladenia.

Napriek tomu je zvyčajne potrebné aj elektrické ladenie a možno použiť jednu z dvoch rôznych metód. Prvý spôsob zahŕňa pripojenie varaktorovej diódy do obvodu Gunnovho oscilátora.

Pri zmene napätia na varaktorovej dióde sa zmení kapacita, čo spôsobí zmenu frekvencie, pri ktorej celý obvod rezonuje.

Aj keď je tento prístup lacný a jednoduchý na použitie, má mnoho nevýhod. Po prvé, má obmedzený prevádzkový rozsah. Po druhé, táto technika produkuje veľa fázového šumu, ktorý nemusí byť vhodný pre mnohé aplikácie.

Použitie YIG na efektívne nastavenie frekvencie

Použitie YIG materiálu sa javí ako efektívnejšia technika ladenia. Obsahuje ytriový železný granát, feromagnetickú látku.

Keď sa Gunnova dióda a YIG vložia do dutiny, efektívna veľkosť dutiny sa zmenší. Na tento účel je mimo vlnovodu umiestnená cievka.

Keď prúd preteká cievkou, má to za následok rozšírenie magnetického objemu YIG a stiahnutie elektrického rozmeru dutiny. V dôsledku toho sa frekvencia prevádzky zvyšuje. Fázový šum je výrazne znížený YIG ladením a je možné dosiahnuť veľký frekvenčný rozsah.

Použitie Gunnplexer pre amatérske rádio

Diódový oscilátor Gunn je súčasťou komerčného transceivera ponúkaného spoločnosťou Advanced Receiver Research pre amatérske rádiové použitie. Zariadenie, označované ako 'Gunnplexer', sa používa na produkciu a zostupnú konverziu nominálnych amatérskych signálov z 10 GHz do amatérskeho pásma na 2 metroch (144 MHz) alebo iných nižších stredných frekvenciách (IF).

Gunnplexer pozostáva z Gunnovej diódy pripojenej k obdĺžnikovej rohovej anténe s vysokým ziskom spolu so Schottkyho zmiešavacími diódami uzavretými vo vnútri 10 GHz dutiny.

Variácie frekvencie až do 60 MHz od normálnej rezonančnej frekvencie možno dosiahnuť pomocou varaktorového ladenia. Gunnova dióda funguje ako vysielač aj lokálny oscilátor pre 2-metrové IF s konverziou nadol.