Gunn-dioder er halvlederenheter som brukes til å generere laveffekts mikrobølgesignaler på en enkel og rimelig måte. Disse har vært i bruk i mer enn 60 år nå. Gunn-dioder kan fungere med frekvenser fra noen få gigahertz til over 100 GHz. Den ble først oppdaget av J. B. Gunn fra IBM på begynnelsen av 1960-tallet.
I dag brukes Gunn-dioder kommersielt i en lang rekke bruksområder, inkludert mikrobølgedatalinjer, laveffekts FM- og CW-radarer, innbruddsalarmer osv. Under stabile temperatur- og spenningsparametere kan kretser som bruker disse diodene generere 15 mW til 1 watt effekt og har lav støy og utmerket frekvensstabilitet. Pistoldioder er spesielt godt likt av entusiaster for bruk i amatørradioer som opererer på 10 GHz.
Konstruksjon
En Gunn-diode er laget av et enkelt stykke N-type silisium. Dette er delt inn i tre primære seksjoner, som vist i fig. 1.
Enhetens topp- og bunnområder inkluderer N+-materiale som har blitt omfattende dopet, noe som resulterer i sterk ledningsevne for grensesnitt med de eksterne parameterne.
En ledningsforbindelse er festet til den ledende basen som enheten er installert på. Basen på enheten fungerer også som en kjøleribbe for å absorbere overflødig varme.
En gullledd er plassert på toppflaten som forbinder med diodens motsatte terminal. For å sikre eksepsjonell ledningsevne og relativ stabilitet, blir gull essensielt.
Enhetens aktive region er plassert i midten, som er mindre omfattende dopet og har lavere ledningsevne. Dette er vanligvis rundt 0,5 ohm per kubikkcentimeter, noe som indikerer at nesten all spenningen påført over enheten går gjennom dette laget av dioden.
Gjennomsnittlig tykkelse på diodens aktive lag er ti mikron (0,001 cm). Tykkelsen vil åpenbart være forskjellig fra en diode til en annen fordi dette først og fremst påvirker den generelle funksjonen til dioden. Dette innebærer at driftsfrekvensen til denne enheten er et kritisk element i dataarket.
Gunn-dioden har en unik design fordi den er helt laget av N-type materiale og ikke har et P-N-kryss. I hovedsak er det ikke en konvensjonell type diode, men fungerer på helt andre prinsipper.
Hvordan en Gunn Diode fungerer
Selv om en Gunn-diodes virkemåte kan virke komplisert, kan det være mulig å forstå det på et grunnleggende nivå.
Det aktive senterområdet til enheten er utsatt for størstedelen av potensialet som skapes av en påført spenning. Dette området er ekstremt tynt, og selv en liten spenningsforskyvning viser en betydelig potensiell gradient eller spenningsfluktuasjon over en viss avstand.
Som illustrert i fig. 2 begynner en strømpuls å flyte gjennom den aktive sonen når den påførte spenningen over den når et spesifikt nivå.
Som et resultat avtar resten av den aktive regionens potensielle gradient, noe som stopper genereringen av ytterligere strømpulser. Først etter at strømpulsen krysser over til den motsatte enden av den aktive sonen, kommer høypotensialgradienten tilbake, noe som muliggjør generering av en annen strømpuls.
Hvis spennings- og strømkurven er plottet ut, er det mulig å se den særegne strømpulsaktiviteten fra en annen vinkel.
Forskjellen mellom en likeretterdiode og Gunn-diode
- Kurvene til en konvensjonell likeretterdiode og en Gunn-diode er avbildet i diagrammet i figur 3 ovenfor.
- Strømmen til en konvensjonell likeretterdiode øker med spenningen, men dette forholdet er ikke alltid lineært.
- På den annen side begynner strømmen til en Gunn-diode å stige, og etter å ha nådd en bestemt spenning begynner den å synke før den øker igjen.
- Dens oscillasjonsegenskaper er forårsaket av denne regionen der den faller, som omtales som en 'negativ motstandsregion'.
Stille inn frekvensen
Selv om den aktive regionens tykkelse bestemmer den generelle driftsfrekvensen, er det fortsatt mulig å endre frekvensen over et spesifikt område. Siden Gunn-dioden er en mikrobølgeenhet, er den vanligvis installert i et bølgelederhulrom for å generere en innstilt krets. Driftsfrekvensen bestemmes av resonansfrekvensen til hele enheten.
Innstillingsprosessen kan utføres på en rekke forskjellige metoder. Ved å sette inn en justerbar skrue i bølgelederhulrommet, kan mekaniske endringer gjøres, noe som muliggjør en grunnleggende tuning-indikator.
Likevel er elektrisk tuning vanligvis også nødvendig, og en av to forskjellige metoder kan brukes. Den første metoden innebærer å koble en varaktordiode inn i Gunn-oscillatorkretsen.
Når spenningen på varaktordioden endres, endres kapasitansen, noe som fører til at frekvensen som hele kretsen resonerer med endres.
Selv om denne tilnærmingen er billig og enkel å bruke, har den mange ulemper. For det første har den et begrenset driftsområde. For det andre produserer denne teknikken mye fasestøy, som kanskje ikke passer for mange applikasjoner.
Bruk av YIG for effektiv frekvensjustering
Å bruke et YIG-materiale ser ut til å være en mer effektiv innstillingsteknikk. Denne inneholder Yttrium Iron Granat, et ferromagnetisk stoff.
Når Gunn-dioden og YIG settes inn i hulrommet, reduseres hulrommets effektive størrelse. En spole er plassert utenfor bølgelederen for å gjøre dette.
Når en strøm flyter gjennom spolen, har det effekten av å utvide YIGs magnetiske volum og trekke sammen hulrommets elektriske dimensjon. Som et resultat øker operasjonsfrekvensen. Fasestøy reduseres betydelig med YIG-innstilling, og et stort frekvensområde kan oppnås.
Bruker Gunnplexer for amatørradio
Gunn-diodeoscillatoren er en komponent av en kommersiell transceiver som tilbys av Advanced Receiver Research for amatørradiobruk. Enheten, referert til som en 'Gunnplexer', brukes til å produsere og nedkonvertere nominelle amatørsignaler fra 10 GHz til amatørbåndet på 2 meter (144 MHz), eller andre lavere mellomfrekvenser (IFs).
Gunnplexeren består av en Gunn-diode festet til en rektangulær hornantenne med høy forsterkning sammen med Schottky-mikserdioder innelukket i et 10 GHz-hulrom.
Frekvensvariasjoner på opptil 60 MHz fra normal resonansfrekvens kan oppnås ved å bruke varaktorinnstilling. Gunn-dioden fungerer både som en sender og en lokaloscillator for den nedkonverterte 2-meters IF.
