I diodi Gunn sono dispositivi a semiconduttore utilizzati per generare segnali a microonde a bassa potenza in modo semplice ed economico. Questi sono in uso da più di 60 anni. I diodi Gunn possono funzionare con frequenze che vanno da pochi gigahertz a oltre 100 GHz. Fu scoperto per la prima volta da JB Gunn dell'IBM all'inizio degli anni '60.
Oggi, i diodi Gunn vengono utilizzati commercialmente in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui linee dati a microonde, radar FM e CW a bassa potenza, allarmi antifurto, ecc. Con parametri di temperatura e tensione stabili, i circuiti che utilizzano questi diodi possono generare da 15 mW a 1 watt di potenza e hanno un basso rumore e un'eccellente stabilità di frequenza. I diodi a pistola sono particolarmente apprezzati dagli appassionati per l'uso in radio amatoriali operanti a 10 GHz.
Costruzione
Un diodo Gunn è prodotto da un unico pezzo di silicio di tipo N. Questo è diviso in tre sezioni principali, come si vede in Fig. 1.
Le regioni superiore e inferiore del dispositivo includono materiale N+ che è stato ampiamente drogato, risultando in una forte conduttività per l'interfacciamento con i parametri esterni.
Una connessione a filo è collegata alla base conduttrice su cui è installato il dispositivo. La base del dispositivo funge anche da dissipatore di calore per assorbire il calore in eccesso.
Sulla superficie superiore è posizionato un collegamento dorato che si collega al terminale opposto del diodo. Per garantire una conduttività eccezionale e una relativa stabilità, l'oro diventa essenziale.
La regione attiva del dispositivo è situata al centro, che è meno drogata e ha una conduttività inferiore. Questo è generalmente di circa 0,5 ohm per centimetro cubo, il che indica che quasi tutta la tensione applicata attraverso il dispositivo passa attraverso questo strato del diodo.
Lo spessore medio dello strato attivo del diodo è di dieci micron (0,001 cm). Il suo spessore sarebbe ovviamente diverso da un diodo all'altro perché ciò influisce principalmente sul funzionamento generale del diodo. Ciò implica che la frequenza operativa di questo dispositivo è un elemento critico della sua scheda tecnica.
Il diodo Gunn ha un design unico perché è realizzato interamente in materiale di tipo N e non ha una giunzione P-N. In sostanza, non è un tipo convenzionale di diodo, ma funziona su principi completamente diversi.
Come funziona un diodo Gunn
Sebbene il funzionamento di un diodo Gunn possa sembrare complesso, è possibile comprenderlo a un livello fondamentale.
La regione centrale attiva del dispositivo è soggetta alla maggior parte del potenziale creato da una tensione applicata. Questa regione è estremamente sottile e anche un piccolo spostamento di tensione mostra un gradiente potenziale significativo o una fluttuazione di tensione su una certa distanza.
Come illustrato in Fig. 2, un impulso di corrente inizia a fluire attraverso la zona attiva quando la tensione applicata ai suoi capi raggiunge un livello specifico.
Di conseguenza, il resto del gradiente potenziale della regione attiva diminuisce, il che interrompe la generazione di impulsi di corrente aggiuntivi. Solo dopo che l'impulso di corrente è passato all'estremità opposta della zona attiva, il gradiente ad alto potenziale ritorna, consentendo la generazione di un altro impulso di corrente.
Se la curva di tensione e corrente viene tracciata, è possibile vedere l'attività peculiare dell'impulso di corrente da un'angolazione diversa.
Differenza tra un diodo raddrizzatore e un diodo Gunn
- Le curve di un diodo raddrizzatore convenzionale e di un diodo Gunn sono rappresentate nel diagramma in Figura 3 sopra.
- La corrente di un diodo raddrizzatore convenzionale aumenta con la tensione, tuttavia questa relazione non è sempre lineare.
- D'altra parte, la corrente di un diodo Gunn inizia a salire e, dopo aver raggiunto una determinata tensione, inizia a diminuire per poi aumentare ancora.
- Le sue proprietà di oscillazione sono causate da questa regione in cui cade, che viene definita regione di 'resistenza negativa'.
Impostazione della frequenza
Sebbene lo spessore della regione attiva determini la frequenza operativa generale, è comunque possibile modificare la frequenza in un intervallo specifico. Poiché il diodo Gunn è un dispositivo a microonde, viene generalmente installato in una cavità di guida d'onda per generare un circuito sintonizzato. La sua frequenza di funzionamento è determinata dalla frequenza di risonanza dell'intero assieme.
Il processo di ottimizzazione può essere eseguito in una varietà di metodi. Inserendo una vite regolabile nella cavità della guida d'onda, è possibile apportare modifiche meccaniche, consentendo un indicatore di sintonia di base.
Tuttavia, di solito è necessaria anche la messa a punto elettrica e potrebbe essere utilizzato uno dei due metodi diversi. Il primo metodo prevede l'accoppiamento di un diodo varactor nel circuito dell'oscillatore Gunn.
Quando la tensione sul diodo varactor viene modificata, la capacità cambia, facendo cambiare la frequenza alla quale l'intero circuito risuona.
Sebbene questo approccio sia economico e semplice da usare, presenta molti inconvenienti. In primo luogo, ha un raggio operativo limitato. In secondo luogo, questa tecnica produce molto rumore di fase, che potrebbe non essere appropriato per molte applicazioni.
Utilizzo di YIG per un'efficace regolazione della frequenza
L'uso di un materiale YIG sembra essere una tecnica di accordatura più efficace. Questo incorpora ittrio ferro granato, una sostanza ferromagnetica.
Quando il diodo Gunn e l'YIG vengono inseriti nella cavità, la dimensione effettiva della cavità viene ridotta. A tale scopo è posizionata una bobina all'esterno della guida d'onda.
Quando una corrente scorre attraverso la bobina, ha l'effetto di espandere il volume magnetico dell'YIG e di contrarre la dimensione elettrica della cavità. Di conseguenza, la frequenza delle operazioni aumenta. Il rumore di fase è significativamente ridotto con la sintonizzazione YIG ed è possibile ottenere un'ampia gamma di frequenze.
Utilizzo di Gunnplexer per radioamatori
L'oscillatore a diodi Gunn è un componente di un ricetrasmettitore commerciale offerto da Advanced Receiver Research per l'uso radioamatoriale. Il dispositivo, denominato 'Gunnplexer', viene utilizzato per produrre e convertire i segnali amatoriali nominali da 10 GHz alla banda amatoriale su 2 metri (144 MHz) o altre frequenze intermedie inferiori (IF).
Il Gunnplexer è costituito da un diodo Gunn collegato a un'antenna a tromba rettangolare ad alto guadagno insieme a diodi mixer Schottky racchiusi all'interno di una cavità da 10 GHz.
È possibile ottenere variazioni di frequenza fino a 60 MHz dalla normale frequenza di risonanza utilizzando la sintonizzazione varactor. Il diodo Gunn funziona sia come trasmettitore che come oscillatore locale per l'IF di 2 metri convertito verso il basso.
