Gunnove diode so polprevodniške naprave, ki se uporabljajo za ustvarjanje mikrovalovnih signalov majhne moči na preprost in poceni način. Te so v uporabi že več kot 60 let. Gunnove diode lahko delujejo s frekvencami od nekaj gigahercev do več kot 100 GHz. Prvi ga je odkril J. B. Gunn iz IBM-a v zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja.
Danes se Gunnove diode komercialno uporabljajo v številnih aplikacijah, vključno z mikrovalovnimi podatkovnimi linijami, nizkozmogljivimi FM in CW radarji, protivlomnimi alarmi itd. Pod stabilnimi temperaturnimi in napetostnimi parametri lahko vezja, ki uporabljajo te diode, ustvarijo 15 mW za 1 vat moči in imajo nizek hrup ter odlično frekvenčno stabilnost. Gun diode so še posebej priljubljene med navdušenci za uporabo v amaterskih radijskih postajah, ki delujejo na 10 GHz.
Gradnja
Gunnova dioda je izdelana iz enega samega kosa silicija tipa N. To je razdeljeno na tri primarne dele, kot je prikazano na sliki 1.
Zgornji in spodnji del naprave vključujeta N+ material, ki je bil izdatno dopiran, kar ima za posledico močno prevodnost za povezovanje z zunanjimi parametri.
Na prevodno podlago, na katero je naprava nameščena, je pritrjena žična povezava. Podnožje naprave služi tudi kot hladilno telo, ki absorbira odvečno toploto.
Zlata povezava je nameščena na zgornji površini, ki se povezuje z nasprotnim priključkom diode. Za zagotovitev izjemne prevodnosti in relativne stabilnosti postane zlato bistvenega pomena.
Aktivno območje naprave se nahaja na sredini, ki je manj dopirano in ima nižjo prevodnost. To je običajno okoli 0,5 ohma na kubični centimeter, kar pomeni, da skoraj vsa napetost, ki se uporablja v napravi, poteka skozi to plast diode.
Povprečna debelina aktivne plasti diode je deset mikronov (0,001 cm). Njegova debelina bi se očitno razlikovala od ene diode do druge, ker to predvsem vpliva na celotno delovanje diode. To pomeni, da je delovna frekvenca te naprave kritični element njene podatkovne liste.
Gunnova dioda ima edinstveno zasnovo, ker je v celoti sestavljena iz materiala N-tipa in nima P-N spoja. V bistvu ne gre za konvencionalno vrsto diode, temveč deluje na popolnoma drugačnih principih.
Kako deluje Gunnova dioda
Čeprav se lahko delovanje Gunnove diode zdi zapleteno, ga je morda mogoče razumeti na temeljni ravni.
Območje aktivnega središča naprave je izpostavljeno večini potenciala, ki ga ustvari uporabljena napetost. To območje je izjemno tanko in že majhen premik napetosti kaže znaten potencialni gradient ali nihanje napetosti na določeni razdalji.
Kot je prikazano na sliki 2, začne tokovni impulz teči skozi aktivno območje, ko napetost, ki je uporabljena na njem, doseže določeno raven.
Posledično se preostanek potencialnega gradienta aktivne regije zmanjša, kar ustavi ustvarjanje dodatnih tokovnih impulzov. Šele potem, ko tokovni impulz preide na nasprotni konec aktivnega območja, se gradient visokega potenciala vrne, kar omogoči generiranje drugega tokovnega impulza.
Če se nariše krivulja napetosti in toka, je mogoče videti nenavadno aktivnost tokovnega impulza z drugega kota.
Razlika med usmerniško diodo in Gunnovo diodo
- Krivulji običajne usmerniške diode in Gunnove diode sta prikazani v diagramu na sliki 3 zgoraj.
- Tok običajne usmerniške diode narašča z napetostjo, vendar to razmerje ni vedno linearno.
- Po drugi strani pa tok Gunnove diode začne naraščati in po dosegu določene napetosti začne padati, preden se ponovno poveča.
- Njegove lastnosti nihanja povzroča območje, kjer pade, kar se imenuje območje 'negativnega upora'.
Nastavitev frekvence
Čeprav debelina aktivne regije določa splošno delovno frekvenco, je še vedno mogoče spremeniti frekvenco v določenem območju. Ker je Gunnova dioda mikrovalovna naprava, je običajno nameščena v votlino valovoda, da ustvari uglašeno vezje. Njegovo frekvenco delovanja določa resonančna frekvenca celotnega sklopa.
Postopek uglaševanja je mogoče izvesti na različne načine. Z vstavitvijo nastavljivega vijaka v votlino valovoda je mogoče izvesti mehanske spremembe, ki omogočajo osnovni indikator uglaševanja.
Kljub temu je običajno potrebna tudi električna nastavitev, pri čemer se lahko uporabi ena od dveh različnih metod. Prva metoda vključuje priklop varaktorske diode v vezje Gunnovega oscilatorja.
Ko se spremeni napetost na varaktorski diodi, se spremeni kapacitivnost, zaradi česar se spremeni frekvenca, pri kateri resonira celotno vezje.
Čeprav je ta pristop poceni in enostaven za uporabo, ima številne pomanjkljivosti. Prvič, ima omejeno območje delovanja. Drugič, ta tehnika proizvaja veliko faznega šuma, ki morda ni primeren za številne aplikacije.
Uporaba YIG za učinkovito nastavitev frekvence
Zdi se, da je uporaba materiala YIG učinkovitejša tehnika uglaševanja. To vključuje itrijev železov granat, feromagnetno snov.
Ko sta Gunnova dioda in YIG vstavljena v votlino, se efektivna velikost votline zmanjša. Za to je zunaj valovoda nameščena tuljava.
Ko tok teče skozi tuljavo, ima učinek razširitve magnetnega volumna YIG in krčenja električne dimenzije votline. Posledično se poveča frekvenca delovanja. Fazni šum se znatno zmanjša z uglaševanjem YIG in lahko se doseže široko frekvenčno območje.
Uporaba Gunnplexerja za amaterski radio
Gunnov diodni oscilator je sestavni del komercialnega oddajnika-sprejemnika, ki ga ponuja Advanced Receiver Research za amatersko radijsko uporabo. Naprava, imenovana 'Gunnplexer', se uporablja za proizvodnjo in pretvorbo nominalnih amaterskih signalov iz 10 GHz v amaterski pas na 2 metrih (144 MHz) ali druge nižje vmesne frekvence (IF).
Gunnplexer je sestavljen iz Gunnove diode, pritrjene na pravokotno rogovo anteno z visokim ojačanjem, skupaj s Schottkyjevimi mešalnimi diodami, zaprtimi v votlino 10 GHz.
Spremembe frekvence do 60 MHz od normalne resonančne frekvence je mogoče doseči z uravnavanjem varaktorja. Gunnova dioda deluje kot oddajnik in lokalni oscilator za navzdol pretvorjen 2-metrski IF.
