Diodo Gunn - Gunn diode
Um diodo Gunn , também conhecido como dispositivo de elétrons transferidos ( TED ), é uma forma de diodo , um componente eletrônico semicondutor de dois terminais , com resistência negativa , usado em eletrônicos de alta frequência . É baseado no "efeito Gunn" descoberto em 1962 pelo físico JB Gunn . Seu maior uso é em osciladores eletrônicos para gerar microondas , em aplicações como pistolas de velocidade de radar , transmissores de link de dados por micro-ondas e abridores automáticos de portas.
Sua construção interna é diferente de outros diodos, pois consiste apenas em material semicondutor dopado com N , enquanto a maioria dos diodos consiste em regiões dopadas com P e N. Portanto, conduz em ambas as direções e não pode retificar a corrente alternada como outros diodos, razão pela qual algumas fontes não usam o termo diodo, mas preferem TED. No diodo Gunn, existem três regiões: duas delas são fortemente dopadas com N em cada terminal, com uma fina camada de material levemente n-dopado entre elas. Quando uma tensão é aplicada ao dispositivo, o gradiente elétrico será maior na fina camada intermediária. Se a tensão é aumentada, a corrente através da camada aumentará primeiro, mas eventualmente, em valores de campo mais altos, as propriedades condutoras da camada intermediária são alteradas, aumentando sua resistividade e fazendo com que a corrente caia. Isso significa que um diodo Gunn tem uma região de resistência diferencial negativa em sua curva característica corrente-tensão , na qual um aumento da tensão aplicada causa uma diminuição na corrente. Esta propriedade permite que ele amplifique , funcionando como um amplificador de radiofrequência, ou se torne instável e oscile quando for polarizado com uma tensão DC.
Osciladores de diodo Gunn
A resistência diferencial negativa, combinada com as propriedades de temporização da camada intermediária, é responsável pelo maior uso do diodo: em osciladores eletrônicos em frequências de microondas e acima. Um oscilador de micro-ondas pode ser criado simplesmente aplicando uma tensão DC para polarizar o dispositivo em sua região de resistência negativa. Com efeito, a resistência diferencial negativa do diodo cancela a resistência positiva do circuito de carga, criando assim um circuito com resistência diferencial zero, que produzirá oscilações espontâneas. A frequência de oscilação é determinada parcialmente pelas propriedades da camada intermediária de diodo, mas pode ser ajustada por fatores externos. Em osciladores práticos, um ressonador eletrônico é geralmente adicionado para controlar a frequência, na forma de um guia de ondas , cavidade de micro-ondas ou esfera YIG . O diodo geralmente é montado dentro da cavidade. O diodo cancela a resistência de perda do ressonador, então ele produz oscilações em sua frequência ressonante . A frequência pode ser ajustada mecanicamente, ajustando o tamanho da cavidade, ou no caso de esferas YIG alterando o campo magnético . Os diodos Gunn são usados para construir osciladores na faixa de frequência de 10 GHz a alta ( THz ).
Os diodos Gunn de arsenieto de gálio são feitos para frequências de até 200 GHz, os materiais de nitreto de gálio podem atingir até 3 terahertz .
História
O diodo Gunn é baseado no efeito Gunn e ambos são nomeados em homenagem ao físico JB Gunn . Na IBM em 1962, ele descobriu o efeito porque se recusou a aceitar resultados experimentais inconsistentes com arsenieto de gálio como "ruído" e determinou a causa. Alan Chynoweth, da Bell Telephone Laboratories , mostrou em junho de 1965 que apenas um mecanismo de elétrons transferidos poderia explicar os resultados experimentais. Percebeu-se que as oscilações que ele detectou foram explicadas pela teoria de Ridley – Watkins – Hilsum , nomeada em homenagem aos físicos britânicos Brian Ridley , Tom Watkins e Cyril Hilsum que em artigos científicos em 1961 mostraram que os semicondutores em massa podiam exibir resistência negativa , o que significa que aumentando o a tensão aplicada faz com que a corrente diminua .
O efeito Gunn e sua relação com o efeito Watkins – Ridley – Hilsum entraram na literatura eletrônica no início dos anos 1970, por exemplo, em livros sobre dispositivos de elétrons transferidos e, mais recentemente, em métodos de ondas não lineares para transporte de carga.
Como funciona
A estrutura de banda eletrônica de alguns materiais semicondutores , incluindo o arsenieto de gálio (GaAs), tem outra banda ou sub-banda de energia além das bandas de valência e de condução que são normalmente usadas em dispositivos semicondutores . Esta terceira banda está com uma energia mais alta do que a banda de condução normal e está vazia até que a energia seja fornecida para promover elétrons a ela. A energia vem da energia cinética dos elétrons balísticos , ou seja, elétrons na banda de condução, mas movendo-se com energia cinética suficiente para atingir a terceira banda.
Esses elétrons começam abaixo do nível de Fermi e recebem um caminho livre médio suficientemente longo para adquirir a energia necessária aplicando um forte campo elétrico, ou são injetados por um cátodo com a energia certa. Com a tensão direta aplicada, o nível de Fermi no cátodo se move para a terceira banda, e reflexos de elétrons balísticos começando em torno do nível de Fermi são minimizados combinando a densidade dos estados e usando as camadas de interface adicionais para permitir que as ondas refletidas interfiram destrutivamente.
No GaAs, a massa efetiva dos elétrons na terceira banda é maior do que na banda de condução usual, de modo que a mobilidade ou velocidade de deriva dos elétrons nessa banda é menor. À medida que a tensão direta aumenta, mais e mais elétrons podem alcançar a terceira banda, fazendo com que se movam mais lentamente, e a corrente através do dispositivo diminui. Isso cria uma região de resistência diferencial negativa na relação tensão / corrente.
Quando um potencial alto o suficiente é aplicado ao diodo, a densidade do portador de carga ao longo do cátodo se torna instável e desenvolverá pequenos segmentos de baixa condutividade, com o resto do cátodo tendo alta condutividade. A maior parte da queda de voltagem do cátodo ocorrerá através do segmento, então ele terá um alto campo elétrico. Sob a influência desse campo elétrico, ele se moverá ao longo do cátodo até o ânodo. Não é possível equilibrar a população em ambas as bandas, então sempre haverá fatias finas de alta intensidade de campo em um contexto geral de baixa intensidade de campo. Então, na prática, com um pequeno aumento na tensão direta, um segmento de baixa condutividade é criado no cátodo, a resistência aumenta, o segmento se move ao longo da barra até o ânodo, e quando atinge o ânodo é absorvido e um novo segmento é criado no cátodo para manter a tensão total constante. Se a tensão for reduzida, qualquer fatia existente é extinta e a resistência diminui novamente.
Os métodos de laboratório usados para selecionar materiais para a fabricação de diodos Gunn incluem espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido .
Formulários
Devido à sua capacidade de alta frequência, os diodos Gunn são usados principalmente em frequências de micro-ondas e superiores. Eles podem produzir algumas das mais altas potências de saída de qualquer dispositivo semicondutor nessas frequências. Seu uso mais comum é em osciladores , mas também são usados em amplificadores de micro-ondas para amplificar sinais. Como o diodo é um dispositivo de uma porta (dois terminais), um circuito amplificador deve separar o sinal amplificado de saída do sinal de entrada de entrada para evitar o acoplamento. Um circuito comum é um amplificador de reflexão que usa um circulador para separar os sinais. Um T de polarização é necessário para isolar a corrente de polarização das oscilações de alta frequência.
Sensores e instrumentos de medição
Os osciladores de diodo Gunn são usados para gerar energia de micro-ondas para: radar anti- colisão aerotransportado , freios antibloqueio , sensores para monitorar o fluxo de tráfego, detectores de radar de carro , sistemas de segurança de pedestres, gravadores de "distância percorrida", detectores de movimento , "velocidade lenta "sensores (para detectar o movimento de pedestres e tráfego de até 85 km / h (50 mph)), controladores de semáforos, abridores de portas automáticos, portões de tráfego automáticos, equipamentos de controle de processo para monitorar a taxa de transferência, alarmes contra roubo e equipamentos para detectar invasores, sensores para evitar descarrilamento de trens, detectores de vibração remotos, tacômetros de velocidade de rotação, monitores de teor de umidade.
Uso de radioamador
Em virtude de sua operação em baixa tensão, os diodos Gunn podem servir como geradores de frequência de micro-ondas para transceptores de micro-ondas de baixa potência (poucos miliwatts) chamados Gunnplexers . Eles foram usados pela primeira vez por rádios amadores britânicos no final dos anos 1970, e muitos designs de Gunnplexer foram publicados em jornais. Eles normalmente consistem em um guia de onda de aproximadamente 3 polegadas no qual o diodo é montado. Uma fonte de alimentação de corrente contínua de baixa tensão (menos de 12 volts), que pode ser modulada apropriadamente, é usada para acionar o diodo. O guia de ondas é bloqueado em uma extremidade para formar uma cavidade ressonante e a outra extremidade geralmente alimenta uma antena em forma de chifre . Um " díodo misturador " adicional é inserido no guia de ondas e é freqüentemente conectado a um receptor de transmissão FM modificado para permitir a escuta de outras estações amadoras. Gunnplexers são mais comumente usados nas bandas de radioamador de 10 GHz e 24 GHz e, às vezes, os alarmes de segurança de 22 GHz são modificados, pois o (s) diodo (s) podem ser colocados em uma cavidade ligeiramente desafinada com camadas de cobre ou folha de alumínio em bordas opostas para mover para o banda amadora licenciada. Normalmente, o diodo do misturador, se intacto, é reutilizado em seu guia de ondas existente e essas peças são bem conhecidas por serem extremamente sensíveis à estática. Na maioria das unidades comerciais, esta parte é protegida com um resistor paralelo e outros componentes e uma variante é usada em alguns relógios atômicos Rb. O diodo do mixer é útil para aplicações de frequência mais baixa, mesmo se o diodo Gunn estiver enfraquecido pelo uso, e alguns entusiastas do rádio amador os usaram em conjunto com um oscilador externo ou diodo Gunn de comprimento de onda n / 2 para localização de satélites e outras aplicações.
Radioastronomia
Os osciladores Gunn são usados como osciladores locais para receptores de radioastronomia de ondas milimétricas e submilimétricas. O diodo Gunn é montado em uma cavidade ajustada para ressoar com o dobro da freqüência fundamental do diodo. O comprimento da cavidade é alterado por um ajuste de micrômetro. Estão disponíveis osciladores Gunn capazes de gerar mais de 50 mW em uma faixa de sintonia de 50% (uma banda de guia de onda).
A frequência do oscilador Gunn é multiplicada por um multiplicador de frequência de diodo para aplicações de ondas submilimétricas.