Điốt Gunn là thiết bị bán dẫn được sử dụng để tạo ra tín hiệu vi sóng công suất thấp một cách đơn giản và chi phí thấp. Chúng đã được sử dụng hơn 60 năm nay. Điốt Gunn có thể hoạt động với tần số từ vài gigahertz đến hơn 100 GHz. Nó được phát hiện lần đầu tiên bởi J. B. Gunn của IBM vào đầu những năm 1960.
Ngày nay, điốt Gunn đang được sử dụng thương mại trong nhiều ứng dụng, bao gồm đường dữ liệu vi sóng, rađa FM và CW công suất thấp, cảnh báo trộm đột nhập, v.v. Trong điều kiện nhiệt độ và thông số điện áp ổn định, các mạch sử dụng điốt này có thể tạo ra 15 mW để Công suất 1 watt và có độ ồn thấp và ổn định tần số tuyệt vời. Điốt súng được những người đam mê đặc biệt ưa thích để sử dụng cho các đài nghiệp dư hoạt động ở tốc độ 10 GHz.
Sự thi công
Điốt Gunn được sản xuất từ một mảnh silicon loại N. Điều này được chia thành ba phần chính, như được thấy trong Hình 1.
Vùng trên và dưới của thiết bị bao gồm vật liệu N + đã được pha tạp nhiều, dẫn đến độ dẫn điện mạnh để giao tiếp với các thông số bên ngoài.
Một kết nối dây được gắn vào đế dẫn điện mà thiết bị được lắp đặt trên đó. Phần đế của thiết bị cũng đóng vai trò như một tấm tản nhiệt để hấp thụ nhiệt lượng dư thừa.
Một liên kết vàng được đặt trên bề mặt trên cùng kết nối với đầu cuối đối diện của diode. Để đảm bảo độ dẫn điện đặc biệt và độ ổn định tương đối, vàng trở nên cần thiết.
Vùng hoạt động của thiết bị nằm ở giữa, vùng này ít bị pha tạp hơn và có độ dẫn điện thấp hơn. Điều này nói chung là khoảng 0,5 ohm trên một cm khối, điều này cho thấy rằng hầu như tất cả điện áp đặt trên thiết bị đều đi qua lớp này của diode.
Độ dày trung bình của lớp hoạt động của diode là 10 micron (0,001 cm). Độ dày của nó rõ ràng sẽ khác nhau giữa các diode này vì điều này chủ yếu ảnh hưởng đến hoạt động tổng thể của diode. Điều này ngụ ý rằng tần suất hoạt động của thiết bị này là một yếu tố quan trọng trong biểu dữ liệu của nó.
Diode Gunn có thiết kế độc đáo vì nó được làm hoàn toàn bằng vật liệu loại N và không có đường giao nhau P-N. Về bản chất, nó không phải là một loại diode thông thường, mà hoạt động dựa trên các nguyên tắc hoàn toàn khác nhau.
Cách hoạt động của Diode Gunn
Mặc dù hoạt động của diode Gunn có vẻ phức tạp, nhưng có thể hiểu nó ở mức độ cơ bản.
Vùng trung tâm hoạt động của thiết bị chịu phần lớn điện thế do điện áp đặt vào tạo ra. Vùng này cực kỳ mỏng, và ngay cả một sự thay đổi điện áp nhỏ cũng cho thấy sự dao động điện áp hoặc gradient điện thế đáng kể trong một khoảng cách nhất định.
Như được minh họa trong Hình 2, một xung dòng điện bắt đầu chạy qua vùng hoạt động khi điện áp đặt trên nó đạt đến một mức cụ thể.
Kết quả là, phần còn lại của gradient điện thế của vùng hoạt động giảm, điều này làm ngừng việc tạo ra các xung dòng điện bổ sung. Chỉ sau khi xung hiện tại đi qua đầu đối diện của vùng hoạt động thì gradient tiềm năng cao mới quay trở lại, cho phép tạo ra một xung hiện tại khác.
Nếu đường cong điện áp và dòng điện được vẽ ra, có thể thấy hoạt động xung dòng điện đặc biệt từ một góc độ khác.
Sự khác biệt giữa Diode chỉnh lưu và Diode Gunn
- Các đường cong của một diode chỉnh lưu thông thường và một diode Gunn được mô tả trong sơ đồ ở Hình 3 ở trên.
- Dòng điện của một diode chỉnh lưu thông thường tăng theo điện áp, tuy nhiên mối quan hệ này không phải lúc nào cũng tuyến tính.
- Mặt khác, dòng điện của diode Gunn bắt đầu tăng và sau khi đạt đến một điện áp cụ thể, bắt đầu giảm xuống trước khi tăng trở lại.
- Đặc tính dao động của nó là do vùng này giảm xuống, được gọi là vùng 'điện trở âm'.
Đặt tần số
Mặc dù độ dày của vùng hoạt động quyết định tần số hoạt động chung, nhưng vẫn khả thi khi thay đổi tần số trên một phạm vi cụ thể. Vì diode Gunn là một thiết bị vi sóng, nó thường được lắp đặt trong một khoang dẫn sóng để tạo ra một mạch điều chỉnh. Tần số hoạt động của nó được xác định bởi tần số cộng hưởng của toàn bộ cụm.
Quá trình điều chỉnh có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau. Bằng cách lắp vít điều chỉnh vào khoang ống dẫn sóng, các thay đổi cơ học có thể được thực hiện, cho phép chỉ báo điều chỉnh cơ bản.
Tuy nhiên, điều chỉnh điện cũng thường cần thiết và có thể sử dụng một trong hai phương pháp khác nhau. Phương pháp đầu tiên liên quan đến việc ghép một diode varactor vào mạch dao động Gunn.
Khi điện áp trên diode varactor bị thay đổi, điện dung thay đổi, làm cho tần số cộng hưởng của toàn mạch thay đổi.
Mặc dù cách làm này không tốn kém và sử dụng đơn giản, nhưng nó có nhiều nhược điểm. Thứ nhất, nó có một phạm vi hoạt động hạn chế. Thứ hai, kỹ thuật này tạo ra nhiều nhiễu pha, có thể không thích hợp cho nhiều ứng dụng.
Sử dụng YIG để điều chỉnh tần số hiệu quả
Sử dụng vật liệu YIG dường như là một kỹ thuật điều chỉnh hiệu quả hơn. Điều này kết hợp với Yttrium Iron Garnet, một chất sắt từ.
Khi diode Gunn và YIG được đưa vào khoang, kích thước hiệu dụng của khoang sẽ giảm. Một cuộn dây được đặt bên ngoài ống dẫn sóng để thực hiện việc này.
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó có tác dụng mở rộng thể tích từ trường của YIG và thu hẹp chiều điện của khoang. Kết quả là, tần suất hoạt động tăng lên. Nhiễu pha được giảm thiểu đáng kể với điều chỉnh YIG và có thể đạt được dải tần số lớn.
Sử dụng Gunnplexer cho Đài nghiệp dư
Bộ dao động diode Gunn là một thành phần của bộ thu phát thương mại do Advanced Receiver Research cung cấp cho việc sử dụng radio nghiệp dư. Thiết bị, được gọi là 'Gunnplexer,' được sử dụng để sản xuất và chuyển đổi tín hiệu nghiệp dư danh nghĩa từ 10 GHz sang băng tần nghiệp dư trên 2 mét (144 MHz) hoặc các tần số trung gian thấp hơn khác (IF).
Gunnplexer bao gồm một điốt Gunn được gắn với một ăng ten sừng hình chữ nhật có độ lợi cao cùng với các điốt trộn Schottky được bao bọc bên trong một khoang 10 GHz.
Có thể đạt được các biến thể tần số lên đến 60 MHz so với tần số cộng hưởng thông thường bằng cách sử dụng điều chỉnh varactor. Diode Gunn hoạt động như một máy phát và một bộ tạo dao động cục bộ cho IF 2 mét được chuyển đổi xuống.
