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 . Está basado en el «efecto Gunn» descubierto en 1962 por el físico J. B. 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 automáticos de puertas.
Su construcción interna es diferente a la de otros diodos en que consiste únicamente en 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, por lo que algunas fuentes no utilizan el término diodo sino que prefieren TED. En el diodo 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 un voltaje al dispositivo, el gradiente eléctrico será mayor a través de la fina capa intermedia. Si el voltaje aumenta, la corriente de la capa aumentará primero. Aún así, eventualmente, a valores de campo más altos, las propiedades conductoras de la capa intermedia se alteran, aumentando su resistividad y haciendo 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 amplificar , 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 sincronización de la capa intermedia, es responsable del mayor uso del diodo: en osciladores electrónicos a frecuencias de microondas y superiores. Un oscilador de microondas se puede crear 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, 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 generalmente se monta dentro de la cavidad. El diodo cancela la resistencia de pérdida del resonador, produciendo oscilaciones a su frecuencia de resonancia . La frecuencia se puede ajustar 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 hechos 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 reciben su nombre del físico J. B. Gunn . En IBM , en 1962, descubrió el efecto porque se negó a aceptar los resultados experimentales inconsistentes en arseniuro de galio como "ruido", y determinó la causa. Alan Chynoweth de Bell Telephone Laboratories demostró en junio de 1965 que solo un mecanismo de transferencia de electrones podría explicar los resultados experimentales. [3] Se dio cuenta de 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 en masa podían mostrar resistencia negativa , lo que significa que aumentar el voltaje aplicado hace que la corriente disminuya .
El efecto Gunn y su relación con el efecto Watkins-Ridley-Hilsum ingresaron a la literatura electrónica a principios de la década de 1970, por ejemplo, en libros sobre dispositivos de electrones transferidos [4] y, más recientemente, sobre métodos de ondas 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 definen un material semiconductor y que se aprovecha para diseñar dispositivos semiconductores . Esta tercera banda (podría haber más) tiene una energía más alta que la banda de conducción normal y normalmente está vacía a temperatura ambiente hasta que se suministra energía para promover electrones hacia ella. 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 alcanzar la banda superior. La energía cinética adicional normalmente la proporciona un campo eléctrico, aplicado externamente al dispositivo.
Estos electrones comienzan por debajo del nivel de Fermi y se les da un camino libre medio lo suficientemente largo para adquirir la energía necesaria mediante la aplicación de un campo eléctrico intenso, o se les inyecta mediante un cátodo con la energía adecuada. Con la tensión directa aplicada, el nivel de Fermi en el cátodo se mueve hacia la tercera banda y las reflexiones de electrones balísticos que comienzan alrededor del nivel de Fermi se minimizan al igualar la densidad de estados y usar las capas de interfaz adicionales para permitir que las ondas reflejadas interfieran destructivamente.
En GaAs, la masa efectiva de los electrones en la tercera banda es mayor que la de los de la banda de conducción habitual, por lo que la movilidad o velocidad de deriva de los electrones en esa banda es menor. A medida que aumenta el voltaje directo, cada vez más electrones pueden alcanzar la banda de mayor energía, lo que hace que se muevan más lentamente (aunque tengan energías más altas) y la corriente a través del dispositivo disminuye. Esto crea una región de resistencia diferencial negativa en la relación voltaje/corriente.
Cuando se aplica un potencial suficientemente alto al diodo, la densidad de portadores de carga a lo largo del cátodo se vuelve inestable y desarrollará pequeños segmentos de baja conductividad, mientras que el resto del cátodo tendrá una alta conductividad. La mayor parte de la caída de tensión del cátodo se producirá a través del segmento, de modo que tendrá un campo eléctrico alto. Bajo la influencia de este campo eléctrico, se moverá a lo largo del cátodo hasta el ánodo. Es imposible equilibrar la población en ambas bandas, por lo que las rebanadas delgadas de alta intensidad de campo siempre estarán en un fondo de baja intensidad de campo. Entonces, en la práctica, con un ligero aumento de la tensión directa, se crea un segmento de baja conductividad en el cátodo, la resistencia aumenta, el segmento se mueve a lo largo de la barra hasta el ánodo y, cuando llega al ánodo, se absorbe y se crea un nuevo segmento en el cátodo para mantener constante la tensión total. Cualquier rebanada existente se extingue si se reduce la tensión y la resistencia disminuye de nuevo.
En este contexto, los electrones balísticos (aquellos que viajan con una dispersión mínima) desempeñan un papel crucial. Pueden moverse a través del semiconductor con un largo recorrido libre medio, ganando efectivamente la energía necesaria para realizar la transición a estados de energía más altos.
Los métodos de laboratorio utilizados para seleccionar materiales para la fabricación de diodos Gunn incluyen la espectroscopia de fotoemisión con resolución angular .
Debido a su capacidad de alta frecuencia, los diodos Gunn se utilizan principalmente en frecuencias de microondas y superiores. Pueden producir una de las potencias de salida más altas de cualquier dispositivo semiconductor en estas frecuencias. Su uso más común es en osciladores , pero también se utilizan en amplificadores de microondas para amplificar señales. Debido a que el diodo es un dispositivo de un puerto (dos terminales), un circuito amplificador debe separar la señal amplificada saliente de la señal de entrada entrante para evitar el acoplamiento. Un circuito común es un amplificador de reflexión que separa las señales utilizando un circulador . Se necesita una T de polarización para aislar la corriente de polarización de las oscilaciones de alta frecuencia.
Los osciladores de diodos Gunn generan energía de microondas para: [6] radares anticolisión aerotransportados , frenos antibloqueo , sensores para monitorizar el flujo de tráfico, detectores de radar para automóviles , sistemas de seguridad para peatones, grabadoras de "distancia recorrida", detectores de movimiento , sensores de "baja velocidad" (para detectar el movimiento de peatones y tráfico hasta 85 km/h (50 mph)), controladores de señales de tráfico, abridores automáticos de puertas, puertas de tráfico automáticas, equipos de control de procesos para monitorizar el rendimiento, alarmas antirrobo y equipos para detectar intrusos, sensores para evitar el descarrilamiento de trenes, detectores de vibración remotos, tacómetros de velocidad de rotación, monitores de contenido de humedad.
En virtud de su funcionamiento de 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 fines de la década de 1970, y muchos diseños de Gunnplexer se han publicado en revistas. Por lo general, consisten en una guía de ondas de aproximadamente 3 pulgadas en la que se monta el diodo. Se utiliza una fuente de alimentación de corriente continua de bajo voltaje (menos de 12 voltios) que se puede modular adecuadamente para impulsar el diodo. La guía de ondas se bloquea 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 FM modificado para permitir la escucha de otras estaciones de aficionados. Los Gunnplexers se utilizan con mayor frecuencia 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 el diodo o los diodos se pueden colocar en una cavidad ligeramente desafinada con capas de cobre o papel de aluminio en los bordes opuestos para pasar a la banda de radioaficionados autorizada. 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 pieza está protegida con una resistencia paralela y otros componentes, y se utiliza una variante en algunos relojes atómicos Rb. El diodo mezclador es útil para aplicaciones de frecuencia más baja incluso si el diodo Gunn se debilita por el uso, y algunos entusiastas de la radioafición los han utilizado junto con un oscilador externo o un diodo Gunn de longitud de onda n/2 para la 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 modifica mediante un ajuste micrométrico. Hay 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.
