Gunn-diodit ovat puolijohdelaitteita, joita käytetään tuottamaan pienitehoisia mikroaaltosignaaleja yksinkertaisella ja edullisella tavalla. Nämä ovat olleet käytössä jo yli 60 vuotta. Gunn-diodit voivat toimia taajuuksilla, jotka vaihtelevat muutamasta gigahertsistä yli 100 GHz:iin. Sen löysi ensimmäisenä IBM:n J. B. Gunn 1960-luvun alussa.
Nykyään Gunn-diodeja käytetään kaupallisesti monissa sovelluksissa, mukaan lukien mikroaaltodatalinjat, pienitehoiset FM- ja CW-tutkat, murtohälyttimet jne. Vakaissa lämpötila- ja jänniteparametreissa näitä diodeja käyttävät piirit voivat tuottaa 15 mW 1 watin teho ja alhainen melu ja erinomainen taajuuden vakaus. Asediodit ovat erityisen suosittuja harrastajien keskuudessa käytettäväksi 10 GHz:n taajuudella toimivissa amatööriradioissa.
Rakentaminen
Gunn-diodi on valmistettu yhdestä N-tyypin piin palasta. Tämä on jaettu kolmeen ensisijaiseen osaan, kuten kuvassa 1.
Laitteen ylä- ja alaosat sisältävät N+-materiaalia, joka on laajasti seostettu, mikä johtaa vahvaan johtavuuteen liitettäväksi ulkoisiin parametreihin.
Johtavaan alustaan, johon laite on asennettu, on kiinnitetty johdin. Laitteen pohja toimii myös jäähdytyselementtinä, joka imee ylimääräisen lämmön.
Yläpinnalle on sijoitettu kultainen linkki, joka yhdistää diodin vastakkaiseen liittimeen. Poikkeuksellisen johtavuuden ja suhteellisen vakauden varmistamiseksi kullasta tulee välttämätön.
Laitteen aktiivinen alue sijaitsee keskellä, joka on vähemmän seostettu ja jonka johtavuus on pienempi. Tämä on yleensä noin 0,5 ohmia kuutiosenttimetriä kohden, mikä osoittaa, että melkein kaikki laitteen yli syötetty jännite kulkee tämän diodikerroksen läpi.
Diodin aktiivisen kerroksen keskimääräinen paksuus on kymmenen mikronia (0,001 cm). Sen paksuus olisi ilmeisesti erilainen diodista toiseen, koska tämä vaikuttaa ensisijaisesti diodin yleiseen toimintaan. Tämä tarkoittaa, että tämän laitteen toimintataajuus on kriittinen elementti sen tietolomakkeessa.
Gunn-diodilla on ainutlaatuinen muotoilu, koska se on valmistettu kokonaan N-tyypin materiaalista eikä siinä ole P-N-liitosta. Pohjimmiltaan se ei ole perinteinen diodityyppi, vaan toimii täysin eri periaatteilla.
Kuinka Gunn Diodi toimii
Vaikka Gunn-diodin toiminta voi tuntua monimutkaiselta, se voi olla mahdollista ymmärtää perustasolla.
Laitteen aktiivinen keskialue on alttiina suurimmalle osalle käytetyn jännitteen synnyttämästä potentiaalista. Tämä alue on erittäin ohut, ja pienikin jännitteen muutos osoittaa merkittävän potentiaaligradientin tai jännitteen vaihtelun tietyllä etäisyydellä.
Kuten kuvassa 2 on esitetty, virtapulssi alkaa virrata aktiivisen alueen läpi, kun sen yli syötetty jännite saavuttaa tietyn tason.
Tämän seurauksena muun aktiivisen alueen potentiaaligradientti pienenee, mikä lopettaa lisävirtapulssien muodostumisen. Vasta sen jälkeen, kun virtapulssi siirtyy aktiivisen alueen vastakkaiseen päähän, korkea potentiaaligradientti palaa, mikä mahdollistaa toisen virtapulssin synnyttämisen.
Jos jännite- ja virtakäyrä piirretään, on mahdollista nähdä erikoinen virtapulssiaktiivisuus eri kulmasta.
Ero tasasuuntaajadiodin ja Gunn-diodin välillä
- Perinteisen tasasuuntausdiodin ja Gunn-diodin käyrät on kuvattu yllä olevassa kuvassa 3 olevassa kaaviossa.
- Perinteisen tasasuuntausdiodin virta kasvaa jännitteen mukana, mutta tämä suhde ei aina ole lineaarinen.
- Toisaalta Gunn-diodin virta alkaa nousta ja tietyn jännitteen saavuttamisen jälkeen alkaa laskea ennen kuin se kasvaa uudelleen.
- Sen värähtelyominaisuudet johtuvat tästä alueesta, jossa se putoaa, jota kutsutaan 'negatiiviseksi resistanssiksi'.
Taajuuden asettaminen
Vaikka aktiivisen alueen paksuus määrää yleisen toimintataajuuden, on silti mahdollista muuttaa taajuutta tietyllä alueella. Koska Gunn-diodi on mikroaaltouuni, se asennetaan tyypillisesti aaltojohtoonkaloon viritetyn piirin muodostamiseksi. Sen toimintataajuuden määrää koko kokoonpanon resonanssitaajuus.
Viritysprosessi voidaan suorittaa useilla menetelmillä. Työntämällä säädettävä ruuvi aaltoputken onteloon voitiin tehdä mekaanisia muutoksia, mikä mahdollistaa perusviritysilmaisimen.
Siitä huolimatta myös sähköinen viritys on yleensä tarpeen, ja voidaan käyttää toista kahdesta eri menetelmästä. Ensimmäinen menetelmä sisältää varaktoridiodin kytkemisen Gunn-oskillaattoripiiriin.
Kun varaktoridiodin jännitettä muutetaan, kapasitanssi muuttuu, jolloin koko piirin resonoi taajuus muuttuu.
Vaikka tämä lähestymistapa on halpa ja helppokäyttöinen, sillä on monia haittoja. Ensinnäkin sillä on rajoitettu toiminta-alue. Toiseksi tämä tekniikka tuottaa paljon vaihekohinaa, mikä ei ehkä sovi moniin sovelluksiin.
YIG:n käyttäminen tehokkaaseen taajuuden säätöön
YIG-materiaalin käyttö näyttää olevan tehokkaampi viritystekniikka. Tämä sisältää yttriumrautagranaattia, ferromagneettista ainetta.
Kun Gunn-diodi ja YIG työnnetään onteloon, ontelon tehollinen koko pienenee. Kela on sijoitettu aaltoputken ulkopuolelle tätä varten.
Kun virta kulkee kelan läpi, se laajentaa YIG:n magneettista tilavuutta ja supistaa ontelon sähköistä ulottuvuutta. Tämän seurauksena toimintatiheys kasvaa. Vaihekohina vähenee merkittävästi YIG-virityksellä, ja voidaan saavuttaa suuri taajuusalue.
Gunnplexerin käyttö radioamatööriradiolle
Gunn-diodioskillaattori on Advanced Receiver Researchin tarjoaman kaupallisen lähetin-vastaanottimen komponentti radioamatöörikäyttöön. Laitetta, jota kutsutaan 'Gunnplexeriksi', käytetään nimellisamatöörisignaalien tuottamiseen ja muuntamiseen 10 GHz:stä amatöörikaistalle 2 metrillä (144 MHz) tai muilla alemmilla välitaajuuksilla (IF).
Gunnplexer koostuu Gunn-diodista, joka on kiinnitetty suuren vahvistuksen suorakaiteen muotoiseen torviantenniin, sekä Schottky-sekoitindiodeja, jotka on suljettu 10 GHz:n onteloon.
Taajuusvaihtelut jopa 60 MHz normaalista resonanssitaajuudesta voidaan saavuttaa varaktorivirityksen avulla. Gunn-diodi toimii sekä lähettimenä että paikallisoskillaattorina alasmuunnetulle 2 metrin IF:lle.
