Diodo gunn

A Diodo de Gunn, también conocido como dispositivo electron transferido ()TED), es una forma de diodo, un componente electrónico semiconductor de dos plazos, con resistencia negativa, utilizado en electrónica de alta frecuencia. Se basa en el "efecto gúne" descubierto en 1962 por el físico J. B. Gunn. Sus principales usos están en los osciladores electrónicos para generar microondas, en aplicaciones como pistolas de velocidad de radar, transmisores de enlaces de datos de relé de microondas y aperturas automáticas de puertas.

Su construcción interna se diferencia de otros diodos en que consta únicamente de 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, razón por la cual algunas fuentes no usan el término diodo sino que prefieren TED. En el diodo de 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 voltaje al dispositivo, el gradiente eléctrico será mayor en la delgada capa intermedia. Si el voltaje aumenta, primero aumentará la corriente de la capa. Aún así, eventualmente, a valores de campo más altos, las propiedades conductoras de la capa intermedia se alteran, aumentando su resistividad y provocando 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 amplificarse, funcionando como un amplificador de radiofrecuencia, o volverse inestable y oscilar cuando está polarizado con un voltaje de CC.

Osciladores de diodo Gunn

La resistencia diferencial negativa, combinada con las propiedades temporales de la capa intermedia, es responsable del mayor uso del diodo: en los osciladores electrónicos en frecuencias de microondas y arriba. Un oscilador de microondas se puede crear simplemente aplicando un voltaje DC para sesgar 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 cero resistencia diferencial, que producirá oscilaciones espontáneas. La frecuencia de oscilación se determina en parte por las propiedades de la capa de diodo medio, pero puede ser sintonizada por factores externos. En los osciladores prácticos, se suele agregar un resonador electrónico para controlar la frecuencia en forma de guía de onda, cavidad de microondas o esfera YIG. El diodo se monta generalmente dentro de la cavidad. El diodo cancela la resistencia a la pérdida del resonador, produciendo oscilaciones a su frecuencia resonante. 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 frecuencias de 10 GHz a THz.

Los diodos Gunn de arseniuro de galio están fabricados para frecuencias de hasta 200 GHz, los materiales de nitruro de galio pueden alcanzar hasta 3 terahercios.

Historia

El diodo Gunn se basa en el efecto Gunn y ambos llevan el nombre del físico J. B. Gunn. En IBM en 1962, descubrió el efecto porque se negó a aceptar resultados experimentales inconsistentes con arseniuro de galio como "ruido" y determinó la causa. Alan Chynoweth, de Bell Telephone Laboratories, demostró en junio de 1965 que sólo un mecanismo de transferencia de electrones podía explicar los resultados experimentales. Se descubrió que las oscilaciones que detectó se explicaban por la teoría de Ridley-Watkins-Hilsum, llamada así en honor a los físicos británicos Brian Ridley, Tom Watkins y Cyril Hilsum, quienes en artículos científicos de 1961 demostraron que los semiconductores a granel podían mostrar una 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 entró en la literatura electrónica a principios de la década de 1970, por ejemplo, en libros sobre dispositivos de transferencia de electrones y, más recientemente, sobre métodos de ondas no lineales para el transporte de carga.

Cómo funciona

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 se utilizan habitualmente en los dispositivos semiconductores. Esta tercera banda tiene mayor energía que la banda de conducción normal y está vacía hasta que se le suministra energía para promover electrones. La energía proviene de la energía cinética de los electrones balísticos, es decir, electrones que se encuentran en la banda de conducción pero que se mueven con suficiente energía cinética como para poder llegar a la tercera banda.

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 aplicando un campo eléctrico fuerte, o son inyectados por un cátodo con la energía adecuada. Con el voltaje directo aplicado, el nivel de Fermi en el cátodo se mueve hacia la tercera banda, y los reflejos de los electrones balísticos que comienzan alrededor del nivel de Fermi se minimizan haciendo coincidir la densidad de estados y usando 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 electrones en 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, más y más electrones pueden alcanzar la tercera banda, lo que hace que se muevan más lentamente 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 del portador 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 voltaje del cátodo se producirá a través del segmento, por lo que tendrá un campo eléctrico elevado. 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 pequeñas porciones de intensidad de campo alta siempre estarán en un fondo de intensidad de campo baja. Entonces, en la práctica, con un ligero aumento en el voltaje directo, 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 forma un nuevo segmento. Se crea en el cátodo para mantener constante el voltaje total. Cualquier corte existente se apaga si se reduce el voltaje y la resistencia vuelve a disminuir.

Los métodos de laboratorio utilizados para seleccionar materiales para la fabricación de diodos Gunn incluyen la espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo.

Aplicaciones

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 a 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 mediante un circulador. Se necesita una T de polarización para aislar la corriente de polarización de las oscilaciones de alta frecuencia.

Sensores e instrumentos de medición

Los osciladores de diodo Gunn generan energía de microondas para: radares para evitar colisiones en el aire, frenos antibloqueo, sensores para monitorear el flujo de tráfico, detectores de radar para automóviles, sistemas de seguridad para peatones, "distancia recorrida" grabadoras, detectores de movimiento, "lentas" sensores (para detectar peatones y movimiento de tráfico de hasta 85 km/h (50 mph)), controladores de señales de tráfico, abridores de puertas automáticos, barreras de tráfico automáticas, equipos de control de procesos para monitorear el rendimiento, alarmas antirrobo y equipos para detectar intrusos, sensores para evitar descarrilamiento de trenes, detectores remotos de vibraciones, tacómetros de velocidad de rotación, monitores del contenido de humedad.

Uso de radioaficionados

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 finales de la década de 1970, y muchos diseños de Gunnplexer se han publicado en revistas. Por lo general, constan de una guía de ondas de aproximadamente 3 pulgadas en la que se monta el diodo. Para accionar el diodo se utiliza una fuente de alimentación de corriente continua de bajo voltaje (menos de 12 voltios) que puede modularse adecuadamente. La guía de ondas está bloqueada en un extremo para formar una cavidad resonante y el otro extremo suele alimentar una antena de bocina. Un "diodo mezclador" se inserta en la guía de ondas y, a menudo, se conecta a un receptor de transmisión de FM modificado para permitir escuchar otras estaciones de aficionados. Los Gunnplexers se usan más comúnmente 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 los diodos se pueden colocar en una cavidad ligeramente desafinada con capas de cobre o papel de aluminio en bordes opuestos para moverlos. la banda amateur con licencia. 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 parte está protegida con una resistencia paralela y otros componentes, y en algunos relojes atómicos Rb se utiliza una variante. El diodo mezclador es útil para aplicaciones de baja frecuencia incluso si el diodo Gunn está debilitado por el uso, y algunos entusiastas de la radioafición los han usado junto con un oscilador externo o un diodo Gunn de longitud de onda n/2 para búsqueda de satélites y otras aplicaciones.

Radioastronomía

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 cambia mediante un ajuste micrométrico. Se encuentran disponibles osciladores Gunn capaces de generar más de 50 mW en un rango de sintonización del 50% (una banda de guía de ondas).

La frecuencia del oscilador Gunn se multiplica por un multiplicador de frecuencia de diodo para aplicaciones de ondas submilimétricas.