Ганн диод

Диод Ганна , также известный как передаваемое электронное устройство ( TED ), представляет собой форму диода , двухконцонный полупроводник электронный компонент, с отрицательным дифференциальным сопротивлением , используемой в высокочастотной электронике . Он основан на «эффекте Ганна», обнаруженном в 1962 году физиком Дж. Б. Ганном . Основные его использование в электронных генераторах для генерации микроволн , в таких приложениях, как радарные орудия , микроволновой реле передатчики данных и автоматические дверные открытели.

Его внутренняя конструкция отличается от других диодов в том смысле, что она состоит только из N-легированного полупроводникового материала, тогда как большинство диодов состоят как из P, так и N-легированных областей. Таким образом, он проводит в обоих направлениях и не может исправлять переменный ток, как и другие диоды, поэтому некоторые источники не используют термин диод , но предпочитают TED. В диоде Ганна существуют три области: две на каждом терминале с большим количеством легированных N, с тонким слоем слегка N-легированного материала между ними. Когда к устройству применяется напряжение, электрический градиент будет наибольшим на тонком среднем слое. Если напряжение увеличится, ток слоя сначала увеличится. Тем не менее, в конечном итоге, при более высоких значениях поля, проводящие свойства среднего слоя изменяются, увеличивая его удельное сопротивление и вызывая ток падать. Это означает, что диод Gunn имеет область негативного дифференциального сопротивления в своей кривой характеристики тока и напряжения , в которой увеличение приложенного напряжения вызывает уменьшение тока. Это свойство позволяет ему Увеличьте , функционируя как радиочастотный усилитель или становятся нестабильными и колебания, когда он смещен с напряжением постоянного тока.

Ганн -диод осцилляторы

Негативное дифференциальное сопротивление, в сочетании с временными свойствами промежуточного уровня, отвечает за наибольшее использование диода: в электронных генераторах на микроволновых частотах и выше. Микроволновый осциллятор может быть создан просто путем применения напряжения постоянного тока , чтобы сметить устройство в свою область отрицательного сопротивления. По сути, отрицательное дифференциальное сопротивление ди -ди -дифференциальности отменяет положительное сопротивление цепи нагрузки, создавая тем самым схему с нулевым дифференциальным сопротивлением, что приведет к спонтанным колебаниям. колебаний Частота частично определяется свойствами среднего диодного слоя, но может быть настроена внешними факторами. В практических генераторах электронный резонатор обычно добавляется к частоте управления в виде волновода , микроволновой полости или сферы Yig . Диод обычно монтируется внутри полости. Диод отменяет сопротивление потери резонатора, создавая колебания на его резонансной частоте . Частота может быть настроена механически, регулируя размер полости или в случае сферов YIG, путем изменения магнитное поле . Диоды Ганна используются для строительства генераторов в ТГц 10 до диапазоне частот от .

Арсенид галлия изготовлены для частот до 200 ГГц, материалы нитрида галлия могут достигать 3 терагерца . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

История

Диод Ганна основан на эффекте Ганна, и оба названы в честь физика Дж. Б. Гунна . В IBM в 1962 году он обнаружил этот эффект, потому что он отказался принять противоречивые экспериментальные результаты в арсениде галлия как «шум» и определил причину. Алан Чиновет из Bell Telephone Laboratories показал в июне 1965 года, что только переданный электронный механизм может объяснить экспериментальные результаты. ^{[ 3 ]} Было понято, что обнаружения, которые он обнаружил, были объяснены теорией Ридли -Ваткинс -Хильсум , названной в честь британских физиков Брайана Ридли , Тома Уоткинса и Сирилла Хильсума , которые в научных работах в 1961 году показали, что объемные полупроводники могут демонстрировать негативное сопротивление , что означает увеличение тока Приложенное напряжение приводит к уменьшению .

Эффект Ганна и его связь с эффектом Уоткинс -Ридли -Хильсум вошли в электронику в начале 1970 -х годов, например, в книгах по переведенным электронным устройствам ^{[ 4 ]} И, совсем недавно, о нелинейных методах волн для транспортировки заряда. ^{[ 5 ]}

Принцип

Электронная полосовая структура некоторых полупроводниковых материалов, включая арсенид галлия (GAAS), имеет еще одну энергетическую полосу или подраздел в дополнение к полосам валентности и проводимости , которые определяют полупроводниковый материал и который используется для разработки полупроводниковых устройств . Эта третья полоса (их может быть больше) находится на более высокой энергии, чем нормальная полоса проводимости, и обычно пустая при комнатной температуре, пока энергия не будет поставлена для продвижения электронов. Энергия поступает из кинетической энергии баллистических электронов , то есть электронов в полосе проводимости, но движется с достаточной кинетической энергией, так что они способны достичь более высокой полосы. Дополнительная кинетическая энергия обычно обеспечивается электрическим полем, применяемым снаружи к устройству.

Эти электроны либо начинаются ниже уровня Ферми и получают достаточно длинный средний свободный путь для получения необходимой энергии путем применения сильного электрического поля, либо вводится катодом с правильной энергией. При применении прямого напряжения уровень Ферми в катоде перемещается в третью полосу, а отражения баллистических электронов, начиная с уровня Ферми, сводятся к минимуму путем сопоставления плотности состояний и использования дополнительных слоев интерфейса, чтобы позволить отраженным волнам мешать разрушительно.

В Гаасе эффективная масса электронов в третьей полосе выше, чем в обычной полосе проводимости, поэтому подвижности скорость электронов или дрейфа в этой полосе ниже. Когда прямое напряжение увеличивается, все больше и больше электронов могут достигать более высокой энергетической полосы, заставляя их двигаться медленнее (хотя у них более высокие энергии), а ток через устройство уменьшается. Это создает область негативного дифференциального сопротивления в отношениях напряжения/тока.

Когда к диоду применяется достаточно высокий потенциал, плотность носителя заряда вдоль катода становится нестабильной и будет развивать небольшие сегменты низкой проводимости, при этом у остальной части катода высокая проводимость. Большая часть падения напряжения катода будет происходить через сегмент, так что он будет иметь высокое электрическое поле. Под влиянием этого электрического поля он будет двигаться по катоду к аноду. Невозможно сбалансировать популяцию в обеих полосах, поэтому тонкие кусочки прочности высокого поля всегда будут в фоне прочности низкого поля. Таким образом, на практике, с небольшим увеличением прямого напряжения, в катоде создается сегмент с низкой проводимостью, увеличивается сопротивление, сегмент перемещается вдоль полосы к аноду, а когда он достигает анода, он поглощается и новый сегмент создается в катоде, чтобы сохранить постоянное общее напряжение. Любой существующий срез гасит, если напряжение снижается, а сопротивление снова уменьшается.

Лабораторные методы, используемые для выбора материалов для производства диодов Gunn, включают спектроскопию фотоэмиссии с разрешением угла .

Приложения

Из-за их высокочастотных возможностей диоды Ганна в основном используются на микроволновых частотах и выше. Они могут создать одну из самых высоких выходных мощностей любого полупроводникового устройства на этих частотах. Их наиболее распространенное использование в генераторах , но они также используются в микроволновых усилителях для усиления сигналов. Поскольку диод представляет собой однопортовое устройство (два терминала), схема усилителя должна отделить исходящий амплифицированный сигнал от входящего входного сигнала для предотвращения связи. Одна общая схема - это усилитель отражения , который отделяет сигналы с помощью циркулятора . Необходима предвзятость , чтобы изолировать ток смещения от высокочастотных колебаний.

Датчики и измерительные инструменты

Осцилляторы диода Gunn генерируют микроволновую мощность для: ^{[ 6 ]} Аналитровый радар избегания столкновений , антиблокировочные тормоза , датчики для мониторинга потока движения, детекторов автомобилей , систем безопасности пешеходов, «дистанционные» рекордеры, детекторы движения , «медленные» датчики (для обнаружения пешеходов и движения движения до движения до движения до движения до движения до движения до движения 85 км/ч (50 миль в час)), контроллеры сигнала движения, автоматические дверные открытели, автоматические ворота движения, оборудование для управления процессом для контроля пропускной способности, тревоги и оборудования для обнаружения наказателей, датчики, чтобы избежать разрыва поездов, удаленных детекторов вибрации, скорости вращения вращения. Тахометры, содержание влаги следят.

Радио -любительское использование

Благодаря своей операции низкого напряжения, диоды Gunn могут служить в качестве микроволновых частотных генераторов для микроволновых приемопередатчиков с очень низким содержанием (несколько милливатт), называемых Gunnplexers . Британские радио -любители впервые использовали их в конце 1970 -х годов, и в журналах было опубликовано многие дизайны Gunnplexer. Обычно они состоят из примерно 3 -дюймового волновода, в который монтируется диод. Низкий напряжение (менее 12 вольт) источник питания постоянного тока, который может быть модулирован надлежащим образом, используется для управления диодом. Волновочный сигнал блокируется на одном конце, чтобы сформировать резонансную полость, а другой конец обычно питает антенну рога . Дополнительный « микшер -диод» вставляется в волновод, и он часто подключается к модифицированному приемнику вещания FM, чтобы прослушать другие любительские станции. Gunnplexers чаще всего используется в полосах ветчины 10 ГГц и 24 ГГц , а иногда и 22 ГГц сигнализируют о том, что диод (ы) можно помещать в слегка орущенную полость со слоями меди или алюминиевой фольги на противоположных краях для перемещения к Лицензированная любительская группа. Если интактный, диод смесителя повторно используется в его существующем волноводе, и эти части хорошо известны тем, что являются чрезвычайно статичными чувствительными. В большинстве коммерческих единиц эта часть защищена параллельным резистором и другими компонентами, а в некоторых атомных часах RB используется вариант. Диод смесителя полезен для более низких частотных применений, даже если диод Gunn ослаблен от использования, а некоторые любители радио -энтузиастов использовали их в сочетании с внешним осциллятором или N/2 длина волны Gunn Diode для обнаружения спутников и других применений.

Радиоастрономия

Осцилляторы Gunn используются в качестве местных генераторов для получения миллиметровых волн и субмиллиметраво-волнической радиоастрономии. Диод Ганна установлен в полости, настроенной на резонирование с вдвое больше фундаментальной частоты диода. Длина полости изменяется с помощью регулировки микрометра. Доступны осцилляторы Gunn, способные генерировать более 50 МВт в диапазоне 50% настройки (одна полоса волновода). ^{[ 7 ]}

Частота генератора Ганна умножается на множитель частоты диода для применений субмиллиметровых волн.

Ссылки

^ V. Gružinskis, JH Zhao, O.Shiktorov и E. Starikov, Gunn Effect и THZ-частотная выработка в N (+)-NN (+) Ган-структурах , Форум материалов, 297--298, 34--344 , 1999 [1]
^ Gribnikov, ZS, Bashirov, RR, & Mitin, VV (2001). Негативная эффективная масса механизм негативной дифференциальной скорости дрейфа и генерации терагерца. IEEE Журнал отдельных тем в квантовой электронике, 7 (4), 630-640.
^ Джон Волкер (1989). «Эффект Ганна: загадочный шум». IEEE Spectrum . ISSN 0018-9235 .
^ PJ Bulman, GS Hobson и BC Taylor. Переданные электронные устройства , Academic Press, New York, 1972
^ Luis L. Bonilla и Stephen W. Teitsworth, Нелинейные волновые методы для транспортировки заряда , Wiley-VCH, 2010.
^ Эффект Ганна , Университет Оклахомы, Департамент физики и астрономии, примечания курса. [2]
^ Je Carlstrom, RL Plambeck и DD Thornton. Непрерывно перестраиваемый 65-115 ГГц генератор Gunn , IEEE, 1985 [3]

[1] V. Gružinskis, JH Zhao, O.Shiktorov и E. Starikov, Gunn Effect и THZ-частотная выработка в N (+)-NN (+) Ган-структурах , Форум материалов, 297--298, 34--344 , 1999 [1]

[2] Gribnikov, ZS, Bashirov, RR, & Mitin, VV (2001). Негативная эффективная масса механизм негативной дифференциальной скорости дрейфа и генерации терагерца. IEEE Журнал отдельных тем в квантовой электронике, 7 (4), 630-640.

[IEEE_noise-3] Джон Волкер (1989). «Эффект Ганна: загадочный шум». IEEE Spectrum . ISSN 0018-9235 .

[4] PJ Bulman, GS Hobson и BC Taylor. Переданные электронные устройства , Academic Press, New York, 1972

[5] Luis L. Bonilla и Stephen W. Teitsworth, Нелинейные волновые методы для транспортировки заряда , Wiley-VCH, 2010.

[6] Эффект Ганна , Университет Оклахомы, Департамент физики и астрономии, примечания курса. [2]

[7] Je Carlstrom, RL Plambeck и DD Thornton. Непрерывно перестраиваемый 65-115 ГГц генератор Gunn , IEEE, 1985 [3]

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]