Gunn diodes ir pusvadītāju ierīces, ko izmanto, lai vienkārši un lēti ģenerētu mazjaudas mikroviļņu signālus. Tie ir izmantoti jau vairāk nekā 60 gadus. Gunn diodes var darboties ar frekvencēm, sākot no dažiem gigaherciem līdz vairāk nekā 100 GHz. To pirmo reizi atklāja J. B. Gunn no IBM 1960. gadu sākumā.
Mūsdienās Gunn diodes tiek komerciāli izmantotas plašā lietojumu klāstā, tostarp mikroviļņu datu līnijās, mazjaudas FM un CW radaros, ielaušanās signalizācijā utt. Stabilos temperatūras un sprieguma parametros ķēdes, kurās tiek izmantotas šīs diodes, var ģenerēt 15 mW. 1 vata jauda, zems trokšņa līmenis un lieliska frekvences stabilitāte. Ieroču diodes īpaši iecienījuši entuziasti, lai tās izmantotu amatieru radioaparātos, kas darbojas 10 GHz frekvencē.
Būvniecība
Gunn diode ir izgatavota no viena N-veida silīcija gabala. Tas ir sadalīts trīs galvenajās sadaļās, kā parādīts 1. attēlā.
Ierīces augšējais un apakšējais apgabals ietver N+ materiālu, kas ir plaši leģēts, tādējādi nodrošinot spēcīgu vadītspēju saskarnē ar ārējiem parametriem.
Vadošajai pamatnei, uz kuras ir uzstādīta ierīce, ir pievienots vadu savienojums. Ierīces pamatne kalpo arī kā siltuma izlietne, lai absorbētu lieko siltumu.
Uz augšējās virsmas ir novietota zelta saite, kas savienojas ar diodes pretējo spaili. Lai nodrošinātu izcilu vadītspēju un relatīvo stabilitāti, zelts kļūst būtisks.
Ierīces aktīvais apgabals atrodas vidū, kas ir mazāk leģēts un tam ir zemāka vadītspēja. Parasti tas ir aptuveni 0,5 omi uz kubikcentimetru, kas norāda, ka gandrīz viss ierīcei pievadītais spriegums iet caur šo diodes slāni.
Diodes aktīvā slāņa vidējais biezums ir desmit mikroni (0,001 cm). Tās biezums acīmredzot atšķirtos no vienas diodes uz otru, jo tas galvenokārt ietekmē diodes vispārējo darbību. Tas nozīmē, ka šīs ierīces darbības frekvence ir būtisks tās datu lapas elements.
Gunn diodei ir unikāls dizains, jo tā ir pilnībā izgatavota no N veida materiāla un tai nav P-N savienojuma. Būtībā tas nav parasts diodes veids, bet gan darbojas pēc pavisam citiem principiem.
Kā darbojas Gunn diode
Lai gan Gunn diodes darbība var šķist sarežģīta, to var saprast fundamentālā līmenī.
Ierīces aktīvais centra apgabals ir pakļauts lielākajai daļai potenciāla, ko rada pielietotais spriegums. Šis reģions ir ārkārtīgi plāns, un pat neliela sprieguma nobīde parāda ievērojamu potenciālo gradientu vai sprieguma svārstības noteiktā attālumā.
Kā parādīts 2. attēlā, strāvas impulss sāk plūst caur aktīvo zonu, kad tai pieliktais spriegums sasniedz noteiktu līmeni.
Rezultātā samazinās pārējais aktīvā reģiona potenciālais gradients, kas aptur papildu strāvas impulsu ģenerēšanu. Tikai pēc tam, kad strāvas impulss pāriet uz aktīvās zonas pretējo galu, atgriežas augsta potenciāla gradienta, ļaujot ģenerēt citu strāvas impulsu.
Ja sprieguma un strāvas līkne ir uzzīmēta, ir iespējams redzēt īpatnējo strāvas impulsa aktivitāti no cita leņķa.
Atšķirība starp taisngrieža diodi un Gunn diodi
- Parastās taisngrieža diodes un Gunna diodes līknes ir attēlotas diagrammā 3. attēlā iepriekš.
- Parastās taisngrieža diodes strāva palielinās līdz ar spriegumu, taču šī attiecība ne vienmēr ir lineāra.
- No otras puses, Gunn diodes strāva sāk pieaugt un, sasniedzot noteiktu spriegumu, sāk kristies, pirms atkal palielinās.
- Tās svārstību īpašības izraisa šis reģions, kurā tas nokrīt, ko dēvē par 'negatīvās pretestības' reģionu.
Frekvences iestatīšana
Lai gan aktīvā reģiona biezums nosaka vispārējo darbības frekvenci, joprojām ir iespējams mainīt frekvenci noteiktā diapazonā. Tā kā Gunn diode ir mikroviļņu ierīce, tā parasti tiek uzstādīta viļņvada dobumā, lai izveidotu noregulētu ķēdi. Tās darbības biežumu nosaka visa mezgla rezonanses frekvence.
Pielāgošanas procesu var veikt ar dažādām metodēm. Ievietojot regulējamu skrūvi viļņvada dobumā, var veikt mehāniskas izmaiņas, ļaujot izmantot pamata regulēšanas indikatoru.
Tomēr parasti ir nepieciešama arī elektriskā regulēšana, un var izmantot vienu no divām dažādām metodēm. Pirmā metode ietver varaktora diodes pievienošanu Gunna oscilatora ķēdei.
Mainot varaktora diodes spriegumu, mainās kapacitāte, izraisot visas ķēdes rezonanses frekvences izmaiņas.
Lai gan šī pieeja ir lēta un vienkārši lietojama, tai ir daudz trūkumu. Pirmkārt, tam ir ierobežots darbības diapazons. Otrkārt, šis paņēmiens rada daudz fāzes trokšņu, kas var nebūt piemērots daudziem lietojumiem.
YIG izmantošana efektīvai frekvences regulēšanai
Šķiet, ka YIG materiāla izmantošana ir efektīvāks regulēšanas paņēmiens. Tas satur itrija dzelzs granātu, feromagnētisku vielu.
Kad Gunn diode un YIG tiek ievietotas dobumā, dobuma efektīvais izmērs tiek samazināts. Lai to izdarītu, ārpus viļņvada ir novietota spole.
Kad strāva plūst caur spoli, tā paplašina YIG magnētisko tilpumu un samazina dobuma elektrisko izmēru. Tā rezultātā palielinās darbības biežums. Fāzes troksnis ir ievērojami samazināts ar YIG regulēšanu, un var sasniegt lielu frekvenču diapazonu.
Gunnplexer izmantošana radioamatieru vajadzībām
Gunn diodes oscilators ir komerciāla raiduztvērēja sastāvdaļa, ko piedāvā Advanced Receiver Research radioamatieru lietošanai. Ierīci, ko dēvē par 'Gunnplexer', izmanto, lai ražotu un samazinātu nominālo amatieru signālu no 10 GHz uz amatieru joslu 2 metru (144 MHz) vai citās zemākās starpfrekvences (IF).
Gunnplexer sastāv no Gunn diodes, kas pievienota liela pastiprinājuma taisnstūrveida raga antenai, kopā ar Schottky miksera diodēm, kas ir ievietotas 10 GHz dobumā.
Frekvences izmaiņas līdz 60 MHz no parastās rezonanses frekvences var panākt, izmantojot varaktora regulēšanu. Gunn diode darbojas gan kā raidītājs, gan kā vietējais oscilators lejuppārveidotajam 2 metru IF.
