Els díodes Gunn són dispositius semiconductors que s'utilitzen per generar senyals de microones de baixa potència d'una manera senzilla i de baix cost. Aquests s'utilitzen des de fa més de 60 anys. Els díodes Gunn poden funcionar amb freqüències que van des d'uns pocs gigahertz fins a més de 100 GHz. Va ser descobert per primera vegada per J. B. Gunn d'IBM a principis dels anys 60.
Avui dia, els díodes Gunn s'utilitzen comercialment en una àmplia gamma d'aplicacions, com ara línies de dades de microones, radars FM i CW de baixa potència, alarmes anti-intrusos, etc. Amb paràmetres de temperatura i tensió estables, els circuits que utilitzen aquests díodes poden generar 15 mW per 1 watt de potència i tenen un baix soroll i una excel·lent estabilitat de freqüència. Els díodes de pistola són especialment apreciats pels entusiastes per utilitzar-los en ràdios d'aficionats que funcionen a 10 GHz.
Construcció
Un díode Gunn es fabrica a partir d'una sola peça de silici de tipus N. Aquest es divideix en tres seccions primàries, tal com es veu a la figura 1.
Les regions superior i inferior del dispositiu inclouen material N+ que ha estat àmpliament dopat, donant lloc a una forta conductivitat per connectar-se amb els paràmetres externs.
S'adjunta una connexió de cable a la base conductora on s'instal·la el dispositiu. La base del dispositiu també serveix com a dissipador de calor per absorbir l'excés de calor.
Es col·loca un enllaç d'or a la superfície superior que es connecta amb el terminal oposat del díode. Per garantir una conductivitat excepcional i una estabilitat relativa, l'or esdevé essencial.
La regió activa del dispositiu es troba al mig, que està menys dopada i té menor conductivitat. Això és generalment al voltant de 0,5 ohms per centímetre cúbic, la qual cosa indica que gairebé tota la tensió aplicada al dispositiu passa per aquesta capa del díode.
El gruix mitjà de la capa activa del díode és de deu micres (0,001 cm). El seu gruix, òbviament, diferiria d'un díode a un altre perquè això afecta principalment el funcionament general del díode. Això implica que la freqüència de funcionament d'aquest dispositiu és un element crític del seu full de dades.
El díode Gunn té un disseny únic perquè està fet totalment de material de tipus N i no té una unió P-N. En essència, no és un tipus de díode convencional, sinó que funciona en principis completament diferents.
Com funciona un díode Gunn
Tot i que el funcionament d'un díode Gunn pot semblar complex, pot ser possible entendre'l a un nivell fonamental.
La regió central activa del dispositiu està sotmesa a la majoria del potencial creat per una tensió aplicada. Aquesta regió és extremadament prima, i fins i tot un petit canvi de tensió mostra un gradient potencial important o una fluctuació de tensió a una certa distància.
Com es mostra a la figura 2, un pols de corrent comença a fluir per la zona activa quan la tensió aplicada a través d'ella arriba a un nivell específic.
Com a resultat, el gradient potencial de la resta de la regió activa disminueix, la qual cosa atura la generació de polsos de corrent addicionals. Només després que el pols de corrent travessi cap a l'extrem oposat de la zona activa torna el gradient de potencial alt, permetent la generació d'un altre pols de corrent.
Si es dibuixa la corba de tensió i corrent, és possible veure la peculiar activitat del pols de corrent des d'un angle diferent.
Diferència entre un díode rectificador i un díode Gunn
- Les corbes d'un díode rectificador convencional i d'un díode Gunn es mostren al diagrama de la figura 3 anterior.
- El corrent d'un díode rectificador convencional augmenta amb la tensió, però aquesta relació no sempre és lineal.
- D'altra banda, el corrent d'un díode Gunn comença a augmentar i, després d'arribar a una tensió específica, comença a baixar abans d'augmentar de nou.
- Les seves propietats d'oscil·lació són causades per aquesta regió on cau, que es coneix com a regió de 'resistència negativa'.
Configuració de la freqüència
Tot i que el gruix de la regió activa determina la freqüència de funcionament general, encara és factible canviar la freqüència en un rang específic. Com que el díode Gunn és un dispositiu de microones, normalment s'instal·la en una cavitat de guia d'ones per generar un circuit sintonitzat. La seva freqüència de funcionament ve determinada per la freqüència de ressonància de tot el conjunt.
El procés d'afinació es pot dur a terme amb una varietat de mètodes. Introduint un cargol ajustable a la cavitat de la guia d'ona, es podrien fer canvis mecànics, permetent un indicador bàsic d'afinació.
No obstant això, normalment també és necessària la sintonització elèctrica i es podria utilitzar un dels dos mètodes diferents. El primer mètode consisteix a acoblar un díode varactor al circuit de l'oscil·lador Gunn.
Quan es canvia la tensió del díode varactor, la capacitat canvia, fent que canviï la freqüència a la qual ressona tot el circuit.
Tot i que aquest enfocament és econòmic i senzill d'utilitzar, té molts inconvenients. En primer lloc, té un rang de funcionament limitat. En segon lloc, aquesta tècnica produeix molt soroll de fase, que pot ser que no sigui apropiat per a moltes aplicacions.
Utilitzant YIG per a un ajust efectiu de la freqüència
L'ús d'un material YIG sembla ser una tècnica d'afinació més eficaç. Això incorpora el granat de ferro d'itri, una substància ferromagnètica.
Quan el díode Gunn i el YIG s'insereixen a la cavitat, la mida efectiva de la cavitat es redueix. Per fer-ho, es col·loca una bobina fora de la guia d'ones.
Quan un corrent flueix per la bobina, té l'efecte d'ampliar el volum magnètic del YIG i contraure la dimensió elèctrica de la cavitat. Com a resultat, la freqüència d'operació augmenta. El soroll de fase es redueix significativament amb la sintonització YIG i es podria aconseguir un gran rang de freqüències.
Utilitzant Gunnplexer per a la ràdio amateur
L'oscil·lador de díode Gunn és un component d'un transceptor comercial ofert per Advanced Receiver Research per a l'ús de ràdio amateur. El dispositiu, conegut com a 'Gunnplexer', s'utilitza per produir i convertir senyals nominals d'aficionats de 10 GHz a la banda d'aficionats a 2 metres (144 MHz) o altres freqüències intermèdies inferiors (IF).
El Gunnplexer consisteix en un díode Gunn connectat a una antena de botzina rectangular d'alt guany juntament amb díodes mescladors Schottky tancats dins d'una cavitat de 10 GHz.
Es poden aconseguir variacions de freqüència de fins a 60 MHz des de la freqüència de ressonància normal mitjançant l'afinació varactor. El díode Gunn funciona com a transmissor i com a oscil·lador local per al FI de 2 metres convertit a la baixa.
