Gunn-Dioden sind Halbleiterbauelemente, die zur einfachen und kostengünstigen Erzeugung von Mikrowellensignalen mit geringer Leistung verwendet werden. Diese sind seit mehr als 60 Jahren im Einsatz. Gunn-Dioden können mit Frequenzen von einigen Gigahertz bis über 100 GHz arbeiten. Es wurde erstmals Anfang der 1960er Jahre von J. B. Gunn von IBM entdeckt.
Heute werden Gunn-Dioden kommerziell in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Mikrowellen-Datenleitungen, FM- und CW-Radar mit geringer Leistung, Einbruchsalarme usw. Unter stabilen Temperatur- und Spannungsparametern können Schaltungen, die diese Dioden verwenden, 15 mW to erzeugen 1 Watt Leistung und haben ein geringes Rauschen und eine hervorragende Frequenzstabilität. Gun-Dioden sind besonders beliebt bei Enthusiasten für den Einsatz in Amateurfunkgeräten, die bei 10 GHz arbeiten.
Konstruktion
Eine Gunn-Diode wird aus einem einzigen Stück Silizium vom N-Typ hergestellt. Dies ist in drei Hauptabschnitte unterteilt, wie in Abb. 1 zu sehen ist.
Die oberen und unteren Bereiche der Vorrichtung enthalten N+-Material, das stark dotiert wurde, was zu einer starken Leitfähigkeit für die Verbindung mit den externen Parametern führt.
An der leitenden Basis, auf der das Gerät installiert ist, ist eine Drahtverbindung angebracht. Der Geräteboden dient auch als Kühlkörper, um die überschüssige Wärme aufzunehmen.
Auf der oberen Oberfläche wird eine Goldverbindung platziert, die mit dem gegenüberliegenden Anschluss der Diode verbunden ist. Um eine außergewöhnliche Leitfähigkeit und relative Stabilität zu gewährleisten, ist Gold unerlässlich.
In der Mitte befindet sich der aktive Bereich des Bauelements, der weniger stark dotiert ist und eine geringere Leitfähigkeit aufweist. Dies liegt im Allgemeinen bei etwa 0,5 Ohm pro Kubikzentimeter, was darauf hinweist, dass fast die gesamte über das Gerät angelegte Spannung durch diese Schicht der Diode fließt.
Die durchschnittliche Dicke der aktiven Schicht der Diode beträgt zehn Mikrometer (0,001 cm). Seine Dicke würde sich offensichtlich von einer Diode zur anderen unterscheiden, da dies hauptsächlich die Gesamtfunktion der Diode beeinflusst. Dies impliziert, dass die Betriebsfrequenz dieses Geräts ein kritisches Element seines Datenblatts ist.
Die Gunn-Diode hat ein einzigartiges Design, da sie vollständig aus N-Typ-Material besteht und keinen P-N-Übergang hat. Im Wesentlichen ist es kein herkömmlicher Diodentyp, sondern funktioniert nach ganz anderen Prinzipien.
Wie eine Gunn-Diode funktioniert
Obwohl die Funktionsweise einer Gunn-Diode komplex erscheinen kann, ist es möglich, sie auf einer grundlegenden Ebene zu verstehen.
Der aktive Mittelbereich der Vorrichtung wird dem Großteil des durch eine angelegte Spannung erzeugten Potentials ausgesetzt. Dieser Bereich ist extrem dünn, und selbst eine kleine Spannungsverschiebung zeigt einen signifikanten Potentialgradienten oder eine Spannungsschwankung über eine bestimmte Distanz.
Wie in Fig. 2 dargestellt, beginnt ein Stromimpuls durch die aktive Zone zu fließen, wenn die daran angelegte Spannung einen bestimmten Pegel erreicht.
Dadurch nimmt der Potentialgradient des restlichen aktiven Bereichs ab, was die Erzeugung zusätzlicher Strompulse stoppt. Erst nachdem der Stromimpuls das gegenüberliegende Ende der aktiven Zone überquert hat, kehrt der hohe Potentialgradient zurück, was die Erzeugung eines weiteren Stromimpulses ermöglicht.
Wenn man den Spannungs- und Stromverlauf aufträgt, kann man die eigentümliche Stromimpulsaktivität aus einem anderen Blickwinkel sehen.
Unterschied zwischen einer Gleichrichterdiode und einer Gunn-Diode
- Die Kurven einer herkömmlichen Gleichrichterdiode und einer Gunn-Diode sind im Diagramm in Abbildung 3 oben dargestellt.
- Der Strom einer herkömmlichen Gleichrichterdiode steigt mit der Spannung, jedoch ist diese Beziehung nicht immer linear.
- Andererseits beginnt der Strom einer Gunn-Diode zu steigen und nach Erreichen einer bestimmten Spannung zu fallen, bevor er wieder ansteigt.
- Seine Oszillationseigenschaften werden durch diesen Bereich verursacht, wo er abfällt, was als ein Bereich mit 'negativem Widerstand' bezeichnet wird.
Einstellen der Frequenz
Obwohl die Dicke des aktiven Bereichs die allgemeine Betriebsfrequenz bestimmt, ist es dennoch möglich, die Frequenz über einen bestimmten Bereich zu ändern. Da die Gunn-Diode ein Mikrowellengerät ist, wird sie typischerweise in einem Hohlleiterhohlraum installiert, um einen abgestimmten Schaltkreis zu erzeugen. Seine Betriebsfrequenz wird durch die Resonanzfrequenz der gesamten Anordnung bestimmt.
Der Abstimmprozess kann mit einer Vielzahl von Verfahren durchgeführt werden. Durch Einsetzen einer einstellbaren Schraube in den Wellenleiterhohlraum konnten mechanische Änderungen vorgenommen werden, wodurch eine grundlegende Abstimmanzeige ermöglicht wurde.
Trotzdem ist normalerweise auch eine elektrische Abstimmung erforderlich, und es könnte eine von zwei verschiedenen Methoden verwendet werden. Das erste Verfahren beinhaltet das Einkoppeln einer Varaktordiode in die Gunn-Oszillatorschaltung.
Wenn die Spannung an der Varaktordiode geändert wird, ändert sich die Kapazität, wodurch sich die Frequenz ändert, bei der die gesamte Schaltung schwingt.
Obwohl dieser Ansatz kostengünstig und einfach zu verwenden ist, hat er viele Nachteile. Erstens hat es einen begrenzten Betriebsbereich. Zweitens erzeugt diese Technik viel Phasenrauschen, das für viele Anwendungen möglicherweise nicht geeignet ist.
Verwendung von YIG zur effektiven Frequenzanpassung
Die Verwendung eines YIG-Materials scheint eine effektivere Stimmtechnik zu sein. Darin enthalten ist Yttrium-Eisen-Granat, eine ferromagnetische Substanz.
Wenn die Gunn-Diode und das YIG in den Hohlraum eingesetzt werden, wird die effektive Größe des Hohlraums verringert. Dazu wird außerhalb des Hohlleiters eine Spule positioniert.
Wenn ein Strom durch die Spule fließt, hat dies den Effekt, dass das magnetische Volumen des YIG erweitert und die elektrische Dimension des Hohlraums zusammengezogen wird. Dadurch steigt die Betriebsfrequenz. Phasenrauschen wird mit YIG-Tuning deutlich reduziert und es konnte ein großer Frequenzbereich erreicht werden.
Verwendung von Gunnplexer für Amateurfunk
Der Gunn-Diodenoszillator ist eine Komponente eines kommerziellen Transceivers, der von Advanced Receiver Research für den Einsatz im Amateurfunk angeboten wird. Das als 'Gunnplexer' bezeichnete Gerät wird verwendet, um nominale Amateursignale von 10 GHz auf das Amateurband auf 2 Metern (144 MHz) oder andere niedrigere Zwischenfrequenzen (ZFs) zu erzeugen und herunterzuwandeln.
Der Gunnplexer besteht aus einer Gunn-Diode, die an einer rechteckigen Hornantenne mit hoher Verstärkung angebracht ist, zusammen mit Schottky-Mischerdioden, die in einem 10-GHz-Hohlraum eingeschlossen sind.
Durch Varaktorabstimmung können Frequenzabweichungen von bis zu 60 MHz von der normalen Resonanzfrequenz erreicht werden. Die Gunn-Diode arbeitet sowohl als Sender als auch als lokaler Oszillator für die abwärtsgewandelte 2-Meter-ZF.
