Gunn dióda
A Gunn dióda vagy Gunn elem egy elektronikus félvezető komponens, amelyet mikrohullámok előállítására használnak. Valójában nem félvezető dióda , de bebizonyosodott, hogy ez az alkatrész anódról és katódról beszél , hogy meg lehessen különböztetni a pozitív és a negatív kontaktust. A funkció alapja a John Battiscombe Gunn által 1963-ban felfedezett Gunne-effektus .
Építkezés
A Gunn elem csak n-adalékolt félvezető területekből áll, többnyire gallium-arsenidből (GaAs), gallium-nitridből (GaN) vagy indium-foszfidból (InP). A területek egymás után vannak elrendezve, és különböző mértékben adalékoltak . Az üzemi feszültség nagy része (kb. 10 V) egy keskeny, gyengén adalékolt középső rétegre esik, ami a Gunne-hatás miatt negatív differenciális ellenállást mutat : az elektronok mobilitása a térerősség növekedésével csökken. Az ezzel járó instabilitás miatt ezen a rétegen alacsony elektronmobilitású és nagy térerősségű zónák vándorolnak.
A tranzitidő és így a generált frekvencia elsősorban a kristály méreteitől függ, de a környező üregrezonátor által kissé megváltoztatható. A Gunn diódák 1,5 GHz és kb. 200 GHz közötti frekvenciákat generálhatnak (GaN legfeljebb 3 THz ).
A Gunn oszcillátor hatékonysága magasabb, mint a reflex klystronoké, és pl. B. kb. 5% az X-sávban (MG1008-15 típus, 8 ... 12 GHz). A folyamatos üzemben lévő teljesítmény a K-sávban még mindig eléri a 400 mW körülit . A növekvő frekvenciával a teljesítményre optimalizált Gunn-diódák elérhető kimenő teljesítménye csökken és eléri a z értéket. B. 90 GHz-en körülbelül 50 mW, legfeljebb 2% -os hatékonysággal. Vannak pulzáló pisztolyelemek és halom is az impulzus kimenetének növelése érdekében. Például 10 wattot érünk el 9,3 GHz-en (MG1060-15 típus, impulzus időtartam 1 µs, üzemi ciklus 1%).
A Gunn oszcillátor csak néhány alkatrészből áll - a Gunn elemből és egy oszcilláló áramkörből. Szigorúan véve ez nem is szükséges, de csökkenti a fáziszajt és a generált jel spektrális szélességét, és megkönnyíti a nagyfrekvenciás energia kinyerését. Néhány terahertzes frekvencián a rezonátort már nem lehet megvalósítani, túl kicsi lenne.
A jobb oldali vázlat vázlatosan egy mechanikusan hangolható, hullámvezető technológiát alkalmazó Gunn oszcillátort mutat be. A rövidzárlati csúszda közötti távolságot úgy választják meg, hogy a Gunn-dióda párhuzamos rezonáns áramkörrel, azaz a hullámhossz körülbelül egynegyedével legyen terhelve. A csatlakozó furatot a hangolócsavarral együtt alkalmazzák a hullámvezető hullámellenállásához .
funkció
A sáv szerkezetét néhány vegyület félvezetők, mint a gallium-arzenid három energia sávok . Ez a kiegészítő sáv általában vezetővezeték nélküli elektronoktól mentes, ezért szigetel. Ha elegendő energiát szolgáltatnak (a Gunn-dióda esetében: az elektromos feszültség növelésével), az elektronok leküzdhetik a sávrést és felemelhetők a vegyérték-sávból ebbe a harmadik sávba, amely aztán elektromosan vezetővé válik.
A feszültség növekedésével a vegyérték sávban egyre több elektron éri el a harmadik sávba ugráshoz szükséges energiát . Ott azonban az elektronok sodrási sebessége alacsonyabb, mint a vegyérték sávban, és az áram csökken. Ez negatív differenciálellenállást eredményez . A harmadik sáv vezetőterülete nem tölti ki a katód és az anód közötti teljes távolságot (néhány mikrométer), hanem a katódfelülettel párhuzamosan egy vékony „lemezt” képez, amely leválik és az anódhoz egy bizonyos, anyagfüggő sebesség. Mire megérkezik, a katód és az anód közötti feszültség csökken. Amint a lemez eléri az anódot, a feszültség visszaugrik az előző, magasabb értékre, és a következő lemez képződik a katódnál. Drasztikus összehasonlítás lenne egy géppuska, amelyben minden egyes anódütés után spontán módon új lövés alakul ki a katódnál.
Kerülni kell, hogy az új lemezek valahol a katód és az anód között alakuljanak ki, mert akkor az egymást követő futási idők egyenlőtlenek lennének. Csak akkor, ha megfelelő katódanyagot használnak, minden új lemez közvetlenül a katód csatlakozásánál jön létre, és minden futási hossz megegyezik az elektródtávolsággal, így a generált frekvencia külső rezonátor nélkül is állandó. Ezért az anódot és a katódot nem szabad felcserélni. Amint egy lemez kialakult, az elektródák közötti feszültség hirtelen leesik, ami megakadályozza további lemezek képződését.
A vezetőképesség és a térerősség összefüggése szemléltethető egy összehasonlítással egy többrétegű fémből és szigetelőlemezekből: Ha egy korong jól vezeti az áramot, akkor a belső térerősség alacsony. Ha egy korong rosszul vezeti az áramot, akkor a belső térerősség olyan magas, mint egy kondenzátor dielektrikumában . A GaAs kristályban a vezetőképesség különbsége lényegesen kisebb, de a korongok mozoghatnak.
Az alsó képen a zöld korong a csökkent elektronmobilitás és a megnövekedett térerősség zónáját jelenti. Mivel ez a lemez elektronokkal "van feltöltve", az anódhoz vándorol. Két csökkentett térerősségű terület veszi körül , amelyekben nem alakulhatnak ki új lemezek.
használat
A Gunn diódák viszonylag olcsóak, és sok oszcillátorban használják őket, ha néhány milliwatt elegendő:
- Adó mikrohullámú adatátvitelhez
- kisméretű radarberendezések ( folytonos hullámú radar ) a gépjárművek beléptetésének ellenőrzéséhez vagy távolságjelzéshez
- Amatőr rádió adó
- Helyi oszcillátor LNB-kben műholdas jelek vételére
web Linkek
Egyéni bizonyíték
- ↑ Viktor Gružinskis, Jian H. Zhao, P. Shiktorov, E. Starikov: Gunn-effektus és THz frekvenciás áramtermelés n + - n - n + GaN struktúrákban . In: Anyagtudományi Fórum . szalag 297-298 , 1999, pp. 341-344 , doi : 10.4028 / www.scientific.net / MSF.297-298.341 .
- ↑ ZS Gribnikov, RR Bashirov, VV Mitin: A negatív differenciális sodródási sebesség és a terahertz-generáció negatív hatékony tömegmechanizmusa . In: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . szalag 7 , no. 2001. augusztus 4. , p. 630-640 , doi : 10.1109 / 2944.974235 .
- ↑ https://www.microsemi.com/document-portal/doc_view/9677-msc-gunn-diodes-cath-hs-pdf 2. oldal
- ↑ Gunnelement MG1038-16 a https://www.microsemi.com/document-portal/doc_view/9677-msc-gunn-diodes-cath-hs-pdf 3. oldalon
- ^ BK Ridley, TB Watkins: A negatív ellenállási hatások lehetősége a félvezetőkben . In: A Fizikai Társaság folyóirata . 78, No. 2, 1961, p. 293. bibcode : 1961PPS .... 78..293R . doi : 10.1088 / 0370-1328 / 78/2/315 .