Gunnova dióda

Gunnova dióda je druh diódy, ktorý sa využíva vo vysokofrekvenčnej elektronike. Pozostáva iba z dotovaných polovodičov typu N, čo je celkom nezvyčajné, keďže väčšina polovodičových diód sa skladá z polovodičov typu N aj P. Gunnova dióda pozostáva z troch oblastí, dve z nich sú ťažko dotované polovodiče typu N na oboch svorkách, tretia oblasť predstavuje tenkú vrstvu ľahšie dotovanej vrstvy nachádzajúca sa medzi dvoma viac dotovanými polovodičmi. Keď privedieme na diódu napätie, elektrický gradient bude vyšší v strednej tenkej vrstve. Samotné vedenie bude prebiehať tak ako v každom inom vodivom materiáli s prúdom, ktorý je úmerný použitému napätiu. Napokon, pri vyššej hodnote poľa, sa vodivé vlastnosti strednej vrstvy zmenia. Postupne dôjde k zvyšovaniu jej odporu a znižovaniu elektrického gradientu v strednej vrstve, čím sa zabráni ďalšiemu vedeniu a hodnota prúdu začne klesať. V praxi to znamená, že Gunnova dióda má oblasť záporného diferenciálneho odporu.
Záporný diferenciálny odpor v kombinácií s časovacími vlastnosťami strednej vrstvy umožňuje pomocou jednoduchej aplikácie jednosmerného prúdu konštrukciu relaxačného oscilátora. Záporný diferenciálny odpor vytvorený diódou bude „negovať“ skutočný kladný odpor aktuálneho zaťaženia a tak vznikne odpor s nulovým odporom, ktorý bude udržiavať oscilácie. Oscilačná frekvencia je z časti určená vlastnosťami tenkej strednej vrstvy, ale môže byť taktiež ovplyvnená vonkajšími faktormi. Gunnove diódy sa preto používajú v oscilátoroch s frekvenčným rozpätím 10 GHz až 1 THz, v ktorých sa na kontrolu frekvencie používa rezonátor. Pod rezonátorom si môžeme predstaviť vlnovod, mikrovlnné dutiny, YIG guľôčky. Ladenie sa vykonáva mechanicky, nastavením parametrov rezonátora, alebo v prípade YIG guľôčky zmenou magnetického poľa.
Gálium-arzenidové Gunnove diódy sú konštruované na frekvencie viac ako 200 GHz a gálium-dusíkové Gunnove diódy môžu dosiahnuť frekvencie až 3 THz.
Gunnova dióda je založená na Gunnovom efekte, ktorý je pomenovaný podľa anglického fyzika J. B. Gunna, ktorý tento jav objavil v roku 1962 vo firme IBM.

Mikroskopický pohľad na vec

Gálium arzenid má ďalšie energetické minimum v pásme vodivosti nad minimom. Keďže toto minimum je nepriame je potrebné použitie fonónu, alebo je na zmenu potrebné doručiť impulz. Energia pochádza z kinetickej energie balistiky elektrónov. Tieto elektróny začínajú buď vo vysoko energetickom Fermi – Diracovom poli, kde je im za pomoci silného elektrického poľa poskytnutá energia na prekonanie stredne dlhej voľnej dráhy, alebo sú vystrelené pomocou energie poskytnutej katódou. Materiál pre katódu musí byť vyberaný s ohľadom na fakt, že je potrebné kontrolovať reakcie, ktoré vznikajú pri výrobe na povrchu pri interakcii s inými materiálmi. V oboch prípadoch, s aplikovaným napätím vpred, úroveň Fermi na katóde je rovnaká ako tretia skupina, a odrazy elektrónov začínajúce okolo úrovne Fermi sú minimalizované tým, že zodpovedajú hustote stavov. Použitie dodatočných vrstiev rozhraní umožní, aby sa odrazené vlny správali deštruktívne. V gálium arzenide je rýchlosť v treťom pásme nižšia než v obvyklom pásme vodivosti, a tak s malým zvýšením napätia vpred stále viac a viac elektrónov môže dosiahnuť tretiu vrstvu a tým znižovať prúd. To vytvára oblasť čiastkových negatívnych odporov vo vzťahu napätie / prúd.
Zapojenie viacerých Gunnových diód do série je nestabilné, pretože ak má jedna dióda len o niečo vyšší pokles napätia, bude prenášať menej prúdu a tým pádom bude rásť pokles napätia. V skutočnosti aj samotná dióda je vnútorne nestabilná a vyvoláva malé úseky nízkej vodivosti a vysoko intenzívneho poľa, ktoré sa pohybujú od katódy k anóde. Je nemožné vyvážiť obsadenie v oboch energetických pásmach, takže vždy bude existovať určitá tenká vrstva vysoko intenzívneho poľa vo všeobecnom prostredí poľa s nízkou intenzitou. Takže v praxi, s malým nárastom napätia, je na katóde vytvorená vrstva, vzrastá odpor, vrstva sa pohne smerom k anóde. Keď dosiahne anódu, na katóde sa vytvorí nová vrstva z dôvodu udržania konštantného napätia. Ak znížime napätie, akákoľvek existujúca vrstva je stlmená a tak sa odpor opäť znižuje. Pre selekciu materiálov na výrobu Gunnových diód sa využívajú laboratórne metódy a postupy vrátane uhlovej foto emisnej spektroskopie.

Aplikácie

Gunnova dióda môže byť využitá na zosilnenie signálov kvôli zdanlivému „negatívnemu odporu“. Táto dióda je tiež bežne využívaná ako zdroj vysokofrekvenčného a vysoko výkonového signálu.
Gunnova dióda sa využíva aj v senzoroch a meracích zariadeniach. Obsahujú ich tieto zariadenia: palubný antikolízny radar, protišmykové brzdy, senzory monitorujúce priebeh dopravy, radary detekcie áut, bezpečnostný systém pre chodcov, detektory pohybu, automatické otváranie dverí, senzory zabraňujúce vykoľajeniu vlakov, diaľková detekcia vibrácií, a mnohé iné.
V rádioamatérstve sa na základe nízkonapäťovej prevádzky môžu Gunnove diódy využiť ako generátory mikrovlnných frekvencií pre nízkonapäťové mikrovlnné vysielače. Vo väčšine pozostávali z trojcentimetrového vlnovodu do ktorého boli diódy namontované. Na ovládanie diódy sa používal 12 V zdroj jednosmerného napätia, ktorého napätie bolo možné vhodne modulovať pre potreby diódy. Na jednom konci bol vlnovod uzavretý, čím sa vytvorili rezonančné dutiny a druhý koniec vlnovodu napájal rezonančné dutiny.