Gunn-diodes zijn halfgeleiderapparaten die worden gebruikt om op een eenvoudige en goedkope manier microgolfsignalen met een laag vermogen te genereren. Deze zijn al meer dan 60 jaar in gebruik. Gunn-diodes kunnen werken met frequenties variërend van enkele gigahertz tot meer dan 100 GHz. Het werd voor het eerst ontdekt door J.B. Gunn van IBM in de vroege jaren zestig.
Tegenwoordig worden Gunn-diodes commercieel gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder microgolfdatalijnen, FM- en CW-radar met laag vermogen, inbraakalarmen, enz. Bij stabiele temperatuur- en spanningsparameters kunnen circuits die deze diodes gebruiken 15 mW genereren om 1 watt vermogen en hebben een laag geluidsniveau en uitstekende frequentiestabiliteit. Pistooldiodes zijn vooral geliefd bij liefhebbers voor gebruik in amateurradio's die werken op 10 GHz.
Bouw
Een Gunn-diode is vervaardigd uit een enkel stuk N-type silicium. Dit is verdeeld in drie primaire secties, zoals te zien is in Fig. 1.
De bovenste en onderste gebieden van het apparaat bevatten N+-materiaal dat uitgebreid is gedoteerd, wat resulteert in een sterke geleidbaarheid voor interfacing met de externe parameters.
Een draadverbinding is bevestigd aan de geleidende basis waarop het apparaat is geïnstalleerd. De basis van het apparaat dient ook als koellichaam om de overtollige warmte te absorberen.
Op het bovenoppervlak is een gouden schakel geplaatst die is verbonden met de tegenoverliggende aansluiting van de diode. Om uitzonderlijke geleidbaarheid en relatieve stabiliteit te garanderen, wordt goud essentieel.
Het actieve gebied van het apparaat bevindt zich in het midden, dat minder uitgebreid is gedoteerd en een lagere geleidbaarheid heeft. Dit is over het algemeen ongeveer 0,5 ohm per kubieke centimeter, wat aangeeft dat bijna alle spanning die over het apparaat wordt aangelegd door deze laag van de diode gaat.
De gemiddelde dikte van de actieve laag van de diode is tien micron (0,001 cm). De dikte ervan zou duidelijk van diode tot diode verschillen, omdat dit in de eerste plaats de algehele werking van de diode beïnvloedt. Dit houdt in dat de werkfrequentie van dit apparaat een cruciaal onderdeel is van de datasheet.
De Gunn-diode heeft een uniek ontwerp omdat deze volledig is gemaakt van N-type materiaal en geen P-N-overgang heeft. In wezen is het geen conventioneel type diode, maar functioneert het op geheel andere principes.
Hoe een Gunn-diode werkt
Hoewel de werking van een Gunn-diode ingewikkeld kan lijken, is het misschien mogelijk om het op een fundamenteel niveau te begrijpen.
Het actieve middengebied van het apparaat wordt onderworpen aan het grootste deel van de potentiaal die wordt gecreëerd door een aangelegde spanning. Dit gebied is extreem dun en zelfs een kleine spanningsverschuiving vertoont een aanzienlijke potentiaalgradiënt of spanningsfluctuatie over een bepaalde afstand.
Zoals geïllustreerd in figuur 2, begint een stroompuls door de actieve zone te stromen wanneer de aangelegde spanning erover een bepaald niveau bereikt.
Als gevolg hiervan neemt de rest van de potentiaalgradiënt van het actieve gebied af, waardoor het genereren van extra stroompulsen stopt. Pas nadat de stroompuls is overgegaan naar het andere uiteinde van de actieve zone, keert de hoge potentiaalgradiënt terug, waardoor een nieuwe stroompuls kan worden gegenereerd.
Als de spannings- en stroomcurve wordt uitgezet, is het mogelijk om de eigenaardige stroompulsactiviteit vanuit een andere hoek te zien.
Verschil tussen een gelijkrichterdiode en een Gunn-diode
- De curven van een conventionele gelijkrichterdiode en een Gunn-diode zijn weergegeven in het diagram in figuur 3 hierboven.
- De stroom van een conventionele gelijkrichterdiode neemt toe met de spanning, maar deze relatie is niet altijd lineair.
- Aan de andere kant begint de stroom van een Gunn-diode te stijgen en, na het bereiken van een specifieke spanning, te dalen voordat hij weer toeneemt.
- De oscillatie-eigenschappen worden veroorzaakt door dit gebied waar het valt, dat een 'negatief weerstandsgebied' wordt genoemd.
De frequentie instellen
Hoewel de dikte van het actieve gebied de algemene werkfrequentie bepaalt, is het nog steeds mogelijk om de frequentie over een specifiek bereik te wijzigen. Aangezien de Gunn-diode een microgolfapparaat is, wordt deze typisch geïnstalleerd in een golfgeleiderholte om een afgestemde kring te genereren. De werkingsfrequentie wordt bepaald door de resonantiefrequentie van het gehele samenstel.
Het afstemmingsproces kan op verschillende manieren worden uitgevoerd. Door een verstelbare schroef in de holte van de golfgeleider te steken, konden mechanische wijzigingen worden aangebracht, waardoor een basisafstemindicator mogelijk werd.
Desalniettemin is elektrische afstemming meestal ook nodig en kan een van de twee verschillende methoden worden gebruikt. De eerste methode omvat het koppelen van een varactordiode in het Gunn-oscillatorcircuit.
Wanneer de spanning op de varactordiode wordt gewijzigd, verandert de capaciteit, waardoor de frequentie waarop het hele circuit resoneert, verandert.
Hoewel deze benadering goedkoop en eenvoudig te gebruiken is, heeft deze veel nadelen. Ten eerste heeft het een beperkt werkbereik. Ten tweede produceert deze techniek veel faseruis, wat voor veel toepassingen misschien niet geschikt is.
YIG gebruiken voor effectieve frequentieaanpassing
Het gebruik van een YIG-materiaal lijkt een effectievere afstemmingstechniek te zijn. Dit bevat Yttrium Iron Garnet, een ferromagnetische substantie.
Wanneer de Gunn-diode en YIG in de holte worden ingebracht, wordt de effectieve grootte van de holte verkleind. Hiervoor wordt een spoel buiten de golfgeleider geplaatst.
Wanneer een stroom door de spoel vloeit, heeft dit het effect van het vergroten van het magnetische volume van de YIG en het samentrekken van de elektrische dimensie van de holte. Als gevolg hiervan neemt de frequentie van de operatie toe. Faseruis wordt aanzienlijk verminderd met YIG-afstemming en er kan een groot frequentiebereik worden bereikt.
Gunnplexer gebruiken voor amateurradio
De Gunn-diodeoscillator is een onderdeel van een commerciële zendontvanger die door Advanced Receiver Research wordt aangeboden voor gebruik door amateurradio's. Het apparaat, een 'Gunnplexer' genoemd, wordt gebruikt om nominale amateursignalen van 10 GHz naar de amateurband op 2 meter (144 MHz) of andere lagere tussenfrequenties (IF's) te produceren en om te zetten.
De Gunnplexer bestaat uit een Gunn-diode die is bevestigd aan een rechthoekige hoornantenne met hoge versterking, samen met Schottky-mixerdiodes die zijn ingesloten in een 10 GHz-holte.
Frequentievariaties tot 60 MHz van de normale resonantiefrequentie kunnen worden bereikt met behulp van varactor-tuning. De Gunn-diode werkt als zowel een zender als een lokale oscillator voor de naar beneden geconverteerde IF van 2 meter.
