Un diodo Gunn , también conocido como dispositivo de electrones transferidos ( TED ), es una forma de diodo , un componente electrónico semiconductor de dos terminales , con resistencia diferencial negativa , utilizado en electrónica de alta frecuencia . Se basa en el "efecto Gunn" descubierto en 1962 por el físico JB Gunn . Sus principales usos son en osciladores electrónicos para generar microondas , en aplicaciones como pistolas de velocidad de radar , transmisores de enlace de datos de relé de microondas y abridores de puertas automáticos.
Su construcción interna se diferencia de otros diodos en que consta únicamente de material semiconductor dopado con N , mientras que la mayoría de los diodos constan de regiones dopadas con P y N. Por lo tanto, conduce en ambas direcciones y no puede rectificar la corriente alterna como otros diodos, razón por la cual algunas fuentes no usan el término diodo sino que prefieren TED. En el diodo de Gunn existen tres regiones: dos están fuertemente dopadas con N en cada terminal, con una fina capa de material ligeramente dopado con N entre ellas. Cuando se aplica voltaje al dispositivo, el gradiente eléctrico será mayor en la delgada capa intermedia. Si el voltaje aumenta, primero aumentará la corriente de la capa. Aún así, eventualmente, a valores de campo más altos, las propiedades conductoras de la capa intermedia se alteran, aumentando su resistividad y provocando que la corriente caiga. Esto significa que un diodo Gunn tiene una región de resistencia diferencial negativa en su curva característica corriente-voltaje , en la que un aumento del voltaje aplicado provoca una disminución de la corriente. Esta propiedad le permite amplificarse , funcionando como un amplificador de radiofrecuencia, o volverse inestable y oscilar cuando está polarizado con un voltaje de CC.
La resistencia diferencial negativa, combinada con las propiedades de temporización de la capa intermedia, es responsable del mayor uso del diodo: en osciladores electrónicos a frecuencias de microondas y superiores. Se puede crear un oscilador de microondas simplemente aplicando un voltaje de CC para polarizar el dispositivo en su región de resistencia negativa. En efecto, la resistencia diferencial negativa del diodo cancela la resistencia positiva del circuito de carga, creando así un circuito con resistencia diferencial cero, lo que producirá oscilaciones espontáneas. La frecuencia de oscilación está determinada en parte por las propiedades de la capa intermedia del diodo, pero puede ajustarse mediante factores externos. En los osciladores prácticos, generalmente se agrega un resonador electrónico para controlar la frecuencia en forma de guía de ondas , cavidad de microondas o esfera YIG . El diodo suele estar montado dentro de la cavidad. El diodo anula la resistencia de pérdida del resonador, produciendo oscilaciones en su frecuencia de resonancia . La frecuencia se puede sintonizar mecánicamente, ajustando el tamaño de la cavidad o, en el caso de las esferas YIG, cambiando el campo magnético . Los diodos Gunn se utilizan para construir osciladores en el rango de frecuencia de 10 GHz a THz .
Los diodos Gunn de arseniuro de galio están fabricados para frecuencias de hasta 200 GHz, los materiales de nitruro de galio pueden alcanzar hasta 3 terahercios . [1] [2]
El diodo Gunn se basa en el efecto Gunn y ambos llevan el nombre del físico JB Gunn . En IBM en 1962, descubrió el efecto porque se negó a aceptar resultados experimentales inconsistentes con arseniuro de galio como "ruido" y determinó la causa. Alan Chynoweth, de Bell Telephone Laboratories, demostró en junio de 1965 que sólo un mecanismo de transferencia de electrones podía explicar los resultados experimentales. [3] Se descubrió que las oscilaciones que detectó se explicaban por la teoría de Ridley-Watkins-Hilsum , llamada así por los físicos británicos Brian Ridley , Tom Watkins y Cyril Hilsum , quienes en artículos científicos de 1961 demostraron que los semiconductores a granel podían mostrar resistencia negativa , es decir. que el aumento del voltaje aplicado hace que la corriente disminuya .
El efecto Gunn y su relación con el efecto Watkins-Ridley-Hilsum entró en la literatura electrónica a principios de la década de 1970, por ejemplo, en libros sobre dispositivos de transferencia de electrones [4] y, más recientemente, sobre métodos ondulatorios no lineales para el transporte de carga. [5]
La estructura de bandas electrónicas de algunos materiales semiconductores , incluido el arseniuro de galio (GaAs), tiene otra banda o subbanda de energía además de las bandas de valencia y conducción que se utilizan habitualmente en los dispositivos semiconductores . Esta tercera banda tiene mayor energía que la banda de conducción normal y está vacía hasta que se le suministra energía para promover electrones. La energía proviene de la energía cinética de los electrones balísticos , es decir, electrones en la banda de conducción pero que se mueven con suficiente energía cinética como para poder llegar a la tercera banda.
Estos electrones comienzan por debajo del nivel de Fermi y se les da un camino libre medio suficientemente largo para adquirir la energía necesaria aplicando un campo eléctrico fuerte, o son inyectados por un cátodo con la energía adecuada. Con el voltaje directo aplicado, el nivel de Fermi en el cátodo se mueve hacia la tercera banda, y los reflejos de los electrones balísticos que comienzan alrededor del nivel de Fermi se minimizan haciendo coincidir la densidad de estados y usando las capas de interfaz adicionales para permitir que las ondas reflejadas interfieran destructivamente.
En GaAs, la masa efectiva de los electrones de la tercera banda es mayor que la de los electrones de la banda de conducción habitual, por lo que la movilidad o velocidad de deriva de los electrones de esa banda es menor. A medida que aumenta el voltaje directo, más y más electrones pueden alcanzar la tercera banda, lo que hace que se muevan más lentamente y la corriente a través del dispositivo disminuye. Esto crea una región de resistencia diferencial negativa en la relación voltaje/corriente.
When a high enough potential is applied to the diode, the charge carrier density along the cathode becomes unstable and will develop small segments of low conductivity, with the rest of the cathode having high conductivity. Most of the cathode voltage drop will occur across the segment so that it will have a high electric field. Under the influence of this electric field, it will move along the cathode to the anode. It is impossible to balance the population in both bands, so thin slices of high-field strength will always be in a background of low-field strength. So in practice, with a slight increase in forward voltage, a low conductivity segment is created at the cathode, resistance increases, the segment moves along the bar to the anode, and when it reaches the anode, it is absorbed, and a new segment is created at the cathode to keep the total voltage constant. Any existing slice is quenched if the voltage is lowered and resistance decreases again.
The laboratory methods used to select materials for manufacturing Gunn diodes include angle-resolved photoemission spectroscopy.
Because of their high-frequency capability, Gunn diodes are mainly used at microwave frequencies and above. They can produce some of the highest output power of any semiconductor device at these frequencies. Their most common use is in oscillators, but they are also used in microwave amplifiers to amplify signals. Because the diode is a one-port (two terminal) device, an amplifier circuit must separate the outgoing amplified signal from the incoming input signal to prevent coupling. One common circuit is a reflection amplifier that separates the signals using a circulator. A bias tee is needed to isolate the bias current from the high-frequency oscillations.
Gunn diode oscillators generate microwave power for:[6] airborne collision avoidance radar, anti-lock brakes, sensors for monitoring the flow of traffic, car radar detectors, pedestrian safety systems, "distance travelled" recorders, motion detectors, "slow-speed" sensors (to detect pedestrian and traffic movement up to 85 km/h (50 mph)), traffic signal controllers, automatic door openers, automatic traffic gates, process control equipment to monitor throughput, burglar alarms and equipment to detect trespassers, sensors to avoid derailment of trains, remote vibration detectors, rotational speed tachometers, moisture content monitors.
En virtud de su funcionamiento a bajo voltaje, los diodos Gunn pueden servir como generadores de frecuencia de microondas para transceptores de microondas de muy baja potencia (pocos milivatios) llamados Gunnplexers . Los radioaficionados británicos los utilizaron por primera vez a finales de la década de 1970, y muchos diseños de Gunnplexer se han publicado en revistas. Por lo general, constan de una guía de ondas de aproximadamente 3 pulgadas en la que se monta el diodo. Para accionar el diodo se utiliza una fuente de alimentación de corriente continua de bajo voltaje (menos de 12 voltios) que puede modularse adecuadamente . La guía de ondas está bloqueada en un extremo para formar una cavidad resonante y el otro extremo generalmente alimenta una antena de bocina . Se inserta un " diodo mezclador " adicional en la guía de ondas y, a menudo, se conecta a un receptor de transmisión de FM modificado para permitir escuchar otras estaciones de aficionados. Los Gunnplexers se usan más comúnmente en las bandas de radioaficionados de 10 GHz y 24 GHz y, a veces, las alarmas de seguridad de 22 GHz se modifican ya que los diodos se pueden colocar en una cavidad ligeramente desafinada con capas de cobre o papel de aluminio en bordes opuestos para moverlos. la banda amateur con licencia. Si está intacto, el diodo mezclador se reutiliza en su guía de ondas existente, y estas piezas son bien conocidas por ser extremadamente sensibles a la estática. En la mayoría de las unidades comerciales, esta parte está protegida con una resistencia paralela y otros componentes, y en algunos relojes atómicos Rb se utiliza una variante. El diodo mezclador es útil para aplicaciones de baja frecuencia incluso si el diodo Gunn está debilitado por el uso, y algunos entusiastas de la radioafición los han usado junto con un oscilador externo o un diodo Gunn de longitud de onda n/2 para búsqueda de satélites y otras aplicaciones.
Los osciladores Gunn se utilizan como osciladores locales para receptores de radioastronomía de ondas milimétricas y submilimétricas. El diodo Gunn está montado en una cavidad sintonizada para resonar al doble de la frecuencia fundamental del diodo. La longitud de la cavidad se cambia mediante un ajuste micrométrico. Se encuentran disponibles osciladores Gunn capaces de generar más de 50 mW en un rango de sintonización del 50% (una banda de guía de ondas). [7]
La frecuencia del oscilador Gunn se multiplica por un multiplicador de frecuencia de diodo para aplicaciones de ondas submilimétricas.
