Диод Ганна - Gunn diode

Диод Ганна российского производства

А Диод Ганна, также известный как переданное электронное устройство (ТЕД), является формой диод, двухконтактный полупроводник электронный компонент, с отрицательное сопротивление, используется в высокочастотных электроника. Он основан на «эффекте Ганна», открытом в 1962 году физиком. Дж. Б. Ганн. Его наибольшее использование в электронные генераторы чтобы генерировать микроволны, в таких приложениях, как радар скорость пушки, микроволновое реле передатчики канала передачи данных и автоматические открыватели дверей.

Его внутренняя конструкция отличается от других диодов тем, что состоит только из N-легированный полупроводник материал, тогда как большинство диодов состоят из областей, легированных как P, так и N. Следовательно, он не ведет себя только в одном направлении и не может исправить переменный ток, как и другие диоды, поэтому в некоторых источниках этот термин не используется. диод но предпочитаю TED. В диоде Ганна существует 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 отрицательное дифференциальное сопротивление в его вольт-амперная характеристика кривая, на которой увеличение приложенного напряжения вызывает уменьшение тока. Это свойство позволяет усилить, функционирующий как усилитель радиочастоты, или становиться нестабильным и колебаться, когда он пристрастный с напряжением постоянного тока.

Генераторы на диодах Ганна

Ток-напряжение (IV) кривая диода Ганна. Это показывает отрицательное сопротивление напряжение выше порогового (Vпорог)

Отрицательное дифференциальное сопротивление в сочетании с временными характеристиками промежуточного слоя отвечает за наибольшее использование диода: в электронные генераторы в микроволновая печь частоты и выше. СВЧ-генератор можно создать, просто применив ОКРУГ КОЛУМБИЯ напряжение 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. Колебание частота Частично определяется свойствами среднего диодного слоя, но может регулироваться внешними факторами. В реальных генераторах электронная резонатор обычно добавляется к контрольной частоте в виде волновод, микроволновая печь или же ЖИГ сфера. Диод обычно устанавливается внутри резонатора. Диод компенсирует сопротивление потерь резонатора, поэтому он производит колебания на своем резонансная частота. Частоту можно настроить механически, регулируя размер резонатора, или, в случае сфер ЖИГ, изменяя магнитное поле. Диоды Ганна используются для создания генераторов в 10 ГГц к высокому (ТГц ) Диапазон частот.

Арсенид галлия Диоды Ганна производятся для частот до 200 ГГц, нитрид галлия материалов может доходить до 3 терагерц.[1][2]

История

НАСА Ученый ERC В. Детер Штрауб проведение эксперимента с эффектом Ганна.

Диод Ганна основан на эффекте Ганна, и оба названы в честь физика. Дж. Б. Ганн кто на IBM в 1962 году обнаружил эффект, потому что он отказался принять противоречивые экспериментальные результаты с арсенидом галлия как «шум», и выследил причину. Алан Чиновет, из Bell Telephone Laboratories, показал в июне 1965 года, что только механизм перенесенных электронов может объяснить экспериментальные результаты.[3] Стало понятно, что обнаруженные им колебания объясняются Теория Ридли – Уоткинса – Хилсама, названный в честь британских физиков Брайан Ридли, Том Уоткинс и Кирилл Хилсум кто в научных статьях в 1961 году показал, что объемные полупроводники могут отображать отрицательное сопротивление, что означает, что увеличение приложенного напряжения вызывает снижаться.

Эффект Ганна и его связь с эффектом Уоткинса-Ридли-Хилсума вошли в электронную литературу в начале 1970-х годов, например в книгах по переданным электронным устройствам[4] и, совсем недавно, о нелинейных волновых методах переноса заряда.[5]

Российский диодный генератор Ганна. Диод установлен внутри полость (металлическая коробка), который действует как резонатор для определения частоты. Отрицательное сопротивление диода возбуждает микроволновые колебания в резонаторе, которые излучают прямоугольное отверстие в волновод (не показано). Частоту можно регулировать, изменяя размер полости с помощью винта с шлицевой головкой.

Как это устроено

В электронная зонная структура некоторых полупроводник материалы, в том числе арсенид галлия (GaAs), имеют другую энергетическую полосу или подполосу в дополнение к валентность и зоны проводимости которые обычно используются в полупроводниковые приборы. Эта третья зона имеет более высокую энергию, чем обычная зона проводимости, и остается пустой до тех пор, пока не будет подана энергия, которая продвигает в нее электроны. Энергия исходит из кинетической энергии баллистические электроны, то есть электроны в зоне проводимости, но движущиеся с достаточной кинетической энергией, чтобы они могли достичь третьей зоны.

Эти электроны либо начинаются ниже Уровень Ферми и им предоставляется достаточно большая длина свободного пробега для получения необходимой энергии путем приложения сильного электрического поля, либо они вводятся 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 мобильность или скорость дрейфа электронов в этой полосе 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: фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением.

Приложения

В разобранном виде радар скорость пушка. Серый узел прикреплен к концу медного цвета. рупорная антенна Генератор на диоде Ганна, который генерирует микроволны.

Из-за своей способности к работе с высокими частотами 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 они используются в генераторы, но они также используются в микроволновой печи усилители для усиления сигналов. Поскольку диод однопортовый (двухполюсное) устройство, схема усилителя должна отделять исходящий усиленный сигнал от входящего входного сигнала для предотвращения связи. Одна общая схема - это усилитель отражения который использует циркулятор для разделения сигналов. А косой тройник необходим для изоляции тока смещения от высокочастотных колебаний.

Датчики и измерительные приборы

Генераторы на диодах Ганна используются для генерации СВЧ-мощности для:[6] радар предотвращения столкновений в воздухе, антиблокировочная система тормозов, датчики для наблюдения за движением транспорта, автомобильные радар-детекторы, системы безопасности пешеходов, регистраторы пройденного расстояния, детекторы движения, "тихоходные" датчики (для обнаружения пешеходов и движения транспорта со скоростью до 85 км / ч (50 миль в час)), контроллеры светофоров, автоматические открыватели дверей, автоматические ворота, оборудование для контроля пропускной способности, охранная сигнализация и оборудование для обнаружение нарушителей, датчики предотвращения схода поездов с рельсов, удаленные датчики вибрации, тахометры скорости вращения, мониторы влажности.

Радиолюбительское использование

Благодаря своему низковольтному режиму работы диоды Ганна могут служить в качестве генераторов СВЧ-частот для очень маломощных (несколько милливатт) СВЧ трансиверы называется Gunnplexers. 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. Источник постоянного тока низкого напряжения (менее 12 В), который может модулированный соответственно, используется для управления диодом. Волновод заблокирован на одном конце, образуя резонансную полость, а другой конец обычно питает рупорная антенна. Дополнительный "Смеситель диод »вставляется в волновод и часто подключается к модифицированному FM-трансляция ресивер для прослушивания других любительских станций. Ганнплексеры чаще всего используются в 10 ГГц и 24 ГГц радиолюбительские диапазоны и иногда сигнализация безопасности 22 ГГц модифицируются, поскольку диод (ы) может быть помещен в слегка расстроенный резонатор со слоями меди или алюминиевой фольги на противоположных краях для перехода на лицензированный любительский диапазон. Как правило, диод смесителя, если он не поврежден, остается 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 более низких частот. частотных 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). [7]

Частота генератора Ганна умножается на диодный умножитель частоты для приложений субмиллиметрового диапазона.

Рекомендации

  1. ^ В. Грузинский, Я. Чжао, О. Шикторов, Е. Стариков, Эффект Ганна и генерация энергии на ТГц частоте в структурах n (+) - n-n (+) GaN, Форум по материаловедению, 297--298, 34--344, 1999. [1]
  2. ^ Грибников З.С., Баширов Р.Р., Митин В.В. (2001). Механизм отрицательной эффективной массы отрицательной дифференциальной скорости дрейфа и генерации терагерцового излучения. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 7 (4), 630-640.
  3. ^ Джон Фёлькер (1989). «Эффект Ганна: головоломка над шумом». IEEE Spectrum. ISSN  0018-9235.
  4. ^ П. Дж. Балман, Г. С. Хобсон и Б. К. Тейлор. Перенесенные электронные устройства, Academic Press, Нью-Йорк, 1972 г.
  5. ^ Луис Л. Бонилья и Стивен В. Тейтсворт, Нелинейные волновые методы переноса заряда., Вайли-ВЧ, 2010.
  6. ^ Эффект Ганна, Университет Оклахомы, факультет физики и астрономии, примечания к курсу.[2]
  7. ^ Дж. Э. Карлстром, Р. Л. Пламбек и Д. Д. Торнтон. Плавно настраиваемый осциллятор Ганна 65-115 ГГц, IEEE, 1985 г. [3]