Диод Ганна - Gunn diode
Ганна диод , также известная как переданное электронное устройство ( ТЭД ), является формой диода , два терминала полупроводникового электронного компонент с отрицательным сопротивлением , используется в высокочастотной электронике . Он основан на «эффекте Ганна», открытом в 1962 году физиком Дж . Б. Ганном . В наибольшей степени он используется в электронных генераторах для генерации микроволн , в таких приложениях, как радарные пушки , микроволновые релейные передатчики линии передачи данных и автоматические открыватели дверей.
Его внутренняя конструкция отличается от других диодов тем, что состоит только из полупроводникового материала, легированного азотом , тогда как большинство диодов состоит из областей, легированных как P, так и N. Поэтому он проводит в обоих направлениях и не может выпрямлять переменный ток, как другие диоды, поэтому некоторые источники не используют термин диод, а предпочитают TED. В диоде Ганна существуют три области: две из них сильно легированы азотом на каждом выводе с тонким слоем слегка легированного азота между ними. Когда на устройство подается напряжение, электрический градиент будет самым большим в тонком среднем слое. Если напряжение увеличивается, ток через слой сначала увеличивается, но в конечном итоге при более высоких значениях поля проводящие свойства среднего слоя изменяются, увеличивая его удельное сопротивление и вызывая падение тока. Это означает, что диод Ганна имеет область отрицательного дифференциального сопротивления на кривой вольт-амперной характеристики , в которой увеличение приложенного напряжения вызывает уменьшение тока. Это свойство позволяет ему усиливаться , работая как усилитель радиочастоты, или становиться нестабильным и колебаться при смещении постоянного напряжения.
Генераторы на диодах Ганна
Отрицательное дифференциальное сопротивление в сочетании с синхронизирующими характеристиками промежуточного слоя отвечает за наиболее широкое использование диодов: в электронных генераторах на сверхвысоких частотах и выше. Микроволновый генератор можно создать, просто приложив напряжение постоянного тока для смещения устройства в область отрицательного сопротивления. Фактически, отрицательное дифференциальное сопротивление диода нейтрализует положительное сопротивление цепи нагрузки, тем самым создавая цепь с нулевым дифференциальным сопротивлением, которая вызывает спонтанные колебания. Колебания частота частично определяется свойствами среднего слоя диода, но может быть настроена под воздействием внешних факторов. В практических генераторах для управления частотой обычно добавляется электронный резонатор в виде волновода , микроволнового резонатора или сферы ЖИГ . Диод обычно устанавливается внутри резонатора. Диод компенсирует сопротивление потерь резонатора, поэтому он производит колебания на его резонансной частоте . Частоту можно регулировать механически, регулируя размер полости, или, в случае сфер ЖИГ, изменяя магнитное поле . Диоды Ганна используются для создания генераторов в диапазоне частот от 10 ГГц до ТГц .
Диоды Ганна из арсенида галлия производятся для частот до 200 ГГц, материалы из нитрида галлия могут достигать 3 терагерц .
История
Диод Ганна основан на эффекте Ганна, и оба названы в честь физика Дж . Б. Ганна . В 1962 году в IBM он обнаружил эффект, потому что отказался принять противоречивые экспериментальные результаты с арсенидом галлия как «шум», и определил причину. Алан Чиновет из Bell Telephone Laboratories в июне 1965 года показал, что только механизм перенесенных электронов может объяснить экспериментальные результаты. Стало понятно, что обнаруженные им колебания объясняются теорией Ридли-Уоткинса-Хилсума , названной в честь британских физиков Брайана Ридли , Тома Уоткинса и Сирила Хилсума, которые в научных статьях в 1961 году показали, что объемные полупроводники могут проявлять отрицательное сопротивление , что означает увеличение сопротивления приложенное напряжение вызывает уменьшение тока .
Эффект Ганна и его связь с эффектом Уоткинса – Ридли – Хилсума вошли в электронную литературу в начале 1970-х годов, например, в книгах по устройствам с переносом электронов, а в последнее время - по нелинейным волновым методам переноса заряда.
Как это работает
Электронная структура полосы некоторых полупроводниковые материалов, в том числе арсенида галлия (GaAs), иметь другую энергетическую зону или поддиапазон в дополнении к валентной и зоне проводимости , которые обычно используются в полупроводниковых приборах . Эта третья зона имеет более высокую энергию, чем обычная зона проводимости, и остается пустой до тех пор, пока не будет подана энергия, продвигающая в нее электроны. Энергия исходит из кинетической энергии баллистических электронов , то есть электронов в зоне проводимости, но движущихся с достаточной кинетической энергией, чтобы они могли достичь третьей зоны.
Эти электроны либо начинаются ниже уровня Ферми, и им предоставляется достаточно длинный свободный пробег, чтобы получить необходимую энергию путем приложения сильного электрического поля, либо они инжектируются катодом с нужной энергией. При приложении прямого напряжения уровень Ферми в катоде перемещается в третью зону, и отражения баллистических электронов, начинающиеся вокруг уровня Ферми, сводятся к минимуму за счет согласования плотности состояний и использования дополнительных интерфейсных слоев, позволяющих отраженным волнам деструктивно интерферировать.
В GaAs эффективная масса электронов в третьей зоне выше, чем в обычной зоне проводимости, поэтому подвижность или дрейфовая скорость электронов в этой зоне ниже. По мере увеличения прямого напряжения все больше и больше электронов могут достигать третьей полосы, заставляя их двигаться медленнее, и ток через устройство уменьшается. Это создает область отрицательного дифференциального сопротивления в соотношении напряжение / ток.
Когда к диоду приложен достаточно высокий потенциал, плотность носителей заряда вдоль катода становится нестабильной и образуются небольшие участки с низкой проводимостью, а остальная часть катода имеет высокую проводимость. Большая часть катодного падения напряжения будет происходить на сегменте, поэтому он будет иметь высокое электрическое поле. Под действием этого электрического поля он будет двигаться по катоду к аноду. Невозможно сбалансировать населенность в обоих диапазонах, поэтому всегда будут тонкие срезы высокой напряженности поля на общем фоне низкой напряженности поля. Таким образом, на практике при небольшом увеличении прямого напряжения на катоде создается сегмент с низкой проводимостью, сопротивление увеличивается, сегмент перемещается вдоль стержня к аноду, и когда он достигает анода, он поглощается, и создается новый сегмент. на катоде, чтобы общее напряжение оставалось постоянным. Если напряжение понижается, любой существующий слой гасится, и сопротивление снова уменьшается.
Лабораторные методы, используемые для выбора материалов для изготовления диодов Ганна, включают фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением .
Приложения
Из-за их высокой частоты диоды Ганна в основном используются на сверхвысоких частотах. Они могут производить на этих частотах одну из самых высоких выходных мощностей среди полупроводниковых устройств. Чаще всего их используют в генераторах , но они также используются в микроволновых усилителях для усиления сигналов. Поскольку диод является однопортовым (двухполюсным) устройством, схема усилителя должна отделять исходящий усиленный сигнал от входящего входного сигнала для предотвращения связи. Одна общая схема - это усилитель отражения, в котором для разделения сигналов используется циркулятор . Смещения тройник необходимо изолировать ток смещения от высокочастотных колебаний.
Датчики и измерительные приборы
Генераторы на диодах Ганна используются для генерации СВЧ-энергии для: бортового радара предотвращения столкновений , антиблокировочной системы тормозов , датчиков для отслеживания движения транспорта, автомобильных радарных детекторов , систем безопасности пешеходов, регистраторов пройденного расстояния, датчиков движения , замедленного движения. датчики (для обнаружения пешеходов и движения транспорта со скоростью до 85 км / ч (50 миль / ч)), контроллеры сигналов светофора, автоматические открыватели дверей, автоматические ворота для движения, оборудование для контроля пропускной способности, охранная сигнализация и оборудование для обнаружения нарушителей, датчики для предотвращение схода поездов с рельсов, дистанционные датчики вибрации, тахометры скорости вращения, мониторы влажности.
Радиолюбительское использование
Благодаря своему низковольтному режиму работы диоды Ганна могут использоваться в качестве генераторов СВЧ-частоты для очень маломощных (несколько милливатт) микроволновых приемопередатчиков, называемых Ганнплексерами . Впервые они были использованы британскими радиолюбителями в конце 1970-х годов, и многие разработки Gunnplexer были опубликованы в журналах. Обычно они состоят из волновода диаметром около 3 дюймов, в который устанавливается диод. Для управления диодом используется источник постоянного тока низкого напряжения (менее 12 В), который можно соответствующим образом модулировать . Волновод заблокирован на одном конце, образуя резонатор, а другой конец обычно питает рупорную антенну . В волновод вставляется дополнительный « смесительный диод», который часто подключается к модифицированному радиовещательному FM- приемнику, чтобы можно было слушать другие любительские станции. Ганнплексеры чаще всего используются в любительских диапазонах 10 ГГц и 24 ГГц, и иногда сигнализация безопасности 22 ГГц модифицируется, поскольку диод (ы) можно поместить в слегка расстроенный резонатор со слоями меди или алюминиевой фольги на противоположных краях для перехода к лицензированный любительский оркестр. Обычно диод смесителя, если он не поврежден, повторно используется в существующем волноводе, и эти части хорошо известны своей чрезвычайно чувствительной к статике. На большинстве коммерческих устройств эта часть защищена параллельным резистором и другими компонентами, а в некоторых атомных часах Rb используется вариант. Смесительный диод полезен для низкочастотных приложений, даже если диод Ганна ослаблен из-за использования, и некоторые радиолюбители использовали их в сочетании с внешним генератором или диодом Ганна с длиной волны n / 2 для поиска спутников и других приложений.
Радиоастрономия
Генераторы Ганна используются в качестве гетеродинов для радиоастрономических приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Диод Ганна установлен в резонаторе, настроенном так, чтобы резонировать на двойной основной частоте диода. Длина полости изменяется микрометрической регулировкой. Доступны генераторы Ганна, способные генерировать более 50 мВт в 50% диапазоне настройки (одна полоса волновода).
Частота генератора Ганна умножается на диодный умножитель частоты для приложений субмиллиметрового диапазона.