Gunnovy diody jsou polovodičová zařízení, která se používají k generování nízkoenergetických mikrovlnných signálů jednoduchým a levným způsobem. Ty se používají již více než 60 let. Gunnovy diody mohou pracovat s frekvencemi od několika gigahertzů až po více než 100 GHz. Poprvé jej objevil J. B. Gunn z IBM na počátku 60. let 20. století.
Dnes jsou Gunn diody komerčně využívány v širokém spektru aplikací, včetně mikrovlnných datových linek, nízkovýkonových FM a CW radarů, poplašných zařízení proti vloupání atd. Za stabilních teplotních a napěťových parametrů mohou obvody využívající tyto diody generovat 15 mW až 1 watt výkonu a mají nízkou hlučnost a vynikající frekvenční stabilitu. Dělové diody obzvláště oblíbené nadšenci pro použití v amatérských rádiích pracujících na frekvenci 10 GHz.
Konstrukce
Gunnova dioda je vyrobena z jednoho kusu křemíku typu N. Ta je rozdělena do tří primárních sekcí, jak je vidět na obr. 1.
Horní a spodní oblasti zařízení obsahují N+ materiál, který byl značně dopován, což má za následek silnou vodivost pro propojení s vnějšími parametry.
K vodivé základně, na které je zařízení instalováno, je připojeno připojení drátu. Základna zařízení zároveň slouží jako chladič, který absorbuje přebytečné teplo.
Na horní ploše je umístěn zlatý článek, který se spojuje s protějším vývodem diody. Pro zajištění výjimečné vodivosti a relativní stability se zlato stává nezbytným.
Aktivní oblast zařízení je situována uprostřed, která je méně dopovaná a má nižší vodivost. To je obecně kolem 0,5 ohmu na krychlový centimetr, což znamená, že téměř veškeré napětí aplikované na zařízení prochází touto vrstvou diody.
Průměrná tloušťka aktivní vrstvy diody je deset mikronů (0,001 cm). Její tloušťka by se samozřejmě u jednotlivých diod lišila, protože to primárně ovlivňuje celkové fungování diody. To znamená, že provozní frekvence tohoto zařízení je kritickým prvkem jeho datového listu.
Dioda Gunn má jedinečný design, protože je celá vyrobena z materiálu typu N a nemá P-N přechod. V podstatě se nejedná o konvenční typ diody, spíše funguje na zcela jiných principech.
Jak funguje Gunnova dioda
Ačkoli se fungování Gunnovy diody může zdát složité, může být možné ji pochopit na základní úrovni.
Aktivní středová oblast zařízení je vystavena většině potenciálu vytvořeného aplikovaným napětím. Tato oblast je extrémně tenká a dokonce i malý posun napětí ukazuje významný gradient potenciálu nebo kolísání napětí na určitou vzdálenost.
Jak je znázorněno na obr. 2, proudový impuls začne protékat aktivní zónou, když aplikované napětí na ní dosáhne určité úrovně.
Výsledkem je, že zbytek potenciálního gradientu aktivní oblasti klesá, což zastaví generování dalších proudových impulsů. Teprve poté, co proudový impuls přejde na opačný konec aktivní zóny, se gradient vysokého potenciálu vrátí, což umožňuje generování dalšího proudového impulsu.
Pokud je vynesena křivka napětí a proudu, je možné vidět zvláštní aktivitu proudového pulzu z jiného úhlu.
Rozdíl mezi usměrňovací diodou a Gunnovou diodou
- Křivky běžné usměrňovací diody a Gunnovy diody jsou znázorněny v diagramu na obrázku 3 výše.
- Proud konvenční usměrňovací diody se zvyšuje s napětím, avšak tento vztah není vždy lineární.
- Na druhé straně proud Gunnovy diody začíná stoupat a po dosažení specifického napětí začíná klesat, než se opět zvýší.
- Jeho oscilační vlastnosti jsou způsobeny touto oblastí, kde klesá, což je označováno jako oblast 'záporného odporu'.
Nastavení frekvence
Ačkoli tloušťka aktivní oblasti určuje obecnou pracovní frekvenci, je stále možné měnit frekvenci v určitém rozsahu. Vzhledem k tomu, že Gunnova dioda je mikrovlnné zařízení, je obvykle instalována v dutině vlnovodu pro generování laděného obvodu. Jeho frekvence provozu je dána rezonanční frekvencí celé sestavy.
Proces ladění lze provést různými způsoby. Vložením nastavitelného šroubu do dutiny vlnovodu bylo možné provést mechanické změny umožňující základní indikátor ladění.
Nicméně elektrické ladění je obvykle také nutné a lze použít jednu ze dvou různých metod. První metoda zahrnuje připojení varaktorové diody do obvodu Gunnova oscilátoru.
Při změně napětí na varaktorové diodě se změní kapacita, což způsobí změnu frekvence, na které celý obvod rezonuje.
Přestože je tento přístup levný a snadno použitelný, má mnoho nevýhod. Za prvé, má omezený provozní rozsah. Za druhé, tato technika produkuje velké množství fázového šumu, který nemusí být vhodný pro mnoho aplikací.
Použití YIG pro efektivní nastavení frekvence
Použití YIG materiálu se zdá být efektivnější technikou ladění. To obsahuje yttrium železný granát, feromagnetickou látku.
Když jsou Gunn dioda a YIG vloženy do dutiny, efektivní velikost dutiny se zmenší. K tomu je mimo vlnovod umístěna cívka.
Když cívkou protéká proud, má to za následek rozšíření magnetického objemu YIG a zmenšení elektrického rozměru dutiny. V důsledku toho se zvyšuje frekvence provozu. Fázový šum je výrazně redukován YIG laděním a lze dosáhnout velkého frekvenčního rozsahu.
Použití Gunnplexer pro amatérské rádio
Diodový oscilátor Gunn je součástí komerčního transceiveru nabízeného společností Advanced Receiver Research pro amatérské rádiové použití. Zařízení, označované jako 'Gunnplexer', se používá k produkci a down-konvertování nominálních amatérských signálů z 10 GHz do amatérského pásma na 2 metrech (144 MHz) nebo jiných nižších středních frekvencích (IF).
Gunnplexer se skládá z Gunnovy diody připojené k obdélníkové anténě s vysokým ziskem spolu se Schottkyho směšovacími diodami uzavřenými uvnitř 10 GHz dutiny.
Frekvenční variace až 60 MHz od normální rezonanční frekvence lze dosáhnout pomocí varaktorového ladění. Gunnova dioda funguje jak jako vysílač, tak jako lokální oscilátor pro 2metrové IF s převodem dolů.
