نحوه کار دیود گان و کاربرد های Gunn Diode
دیود گان چیست؟
دیود گان (Gunn) یک دستگاه نیمه هادی غیرفعال با دو ترمینال است که بر خلاف سایر دیودها که از یک اتصال p-n تشکیل شده اند، فقط از یک ماده نیمه هادی دوپ شده n تشکیل شده است. دیودهای گان را می توان از موادی که شامل چندین دره انرژی ابتدئا خالی با فاصله نزدیک در نوار رسانایی خود، مانند آرسنید گالیم (GaAs)، فسفید ایندیم (InP)، نیترید گالیم (GaN)، تلورید کادمیوم (CdTe) سولفید کادمیوم (CdS)، آرسنید ایندیم (InAs)، آنتیمونید ایندیم (InSb) و سلنید روی (ZnSe) ساخته شود.
روش تولید عمومی شامل رشد یک لایه همپایه بر روی یک بستر +n منحط برای تشکیل سه لایه نیمه هادی نوع n است، که در آن لایه های اکستریم در مقایسه با لایه میانی و فعال به شدت دوپ می شوند.
علاوه بر این، کنتاکت های فلزی در دو انتهای دیود گان به منظور ساده سازی بایاسینگ ارائه می شوند. نماد مدار در دیود گان با دیود معمولی متفاوت است تا نشان دهنده عدم وجود پیوند p-n باشد.
با اعمال یک ولتاژ DC در ترمینال های دیود گان، یک میدان الکتریکی در سراسر لایه های آن ایجاد می شود که بیشتر آن در سراسر ناحیه فعال مرکزی ظاهر می شود. در مراحل اولیه، رسانایی به دلیل حرکت الکترون ها از نوار ظرفیت به دره پایین نوار رسانایی افزایش می یابد.
نمودار ولتاژ جریان دیود گان
در نمودار V-I پس از رسیدن به یک مقدار آستانه معین (Vth)، جریان عبوری از طریق دیود گان کاهش می یابد.
این امر به این دلیل است که در ولتاژهای بالاتر، الکترون ها از دره پایین نوار رسانایی به دره بالاتر حرکت می کنند، که تحرک آن ها به دلیل افزایش جرم مؤثرشان کاهش می یابد. کاهش تحرک باعث کاهش رسانایی می شود که منجر به کاهش جریان عبوری از دیود می شود.
در نتیجه گفته می شود که دیود در ناحیه مقاومت منفی (منطقه ای که از نقطه اوج تا نقطه دره را در بر می گیرد) قرار دارد. این اثر را اثر الکترون انتقال یافته می نامند و بنابراین دیودهای گان را دستگاه های الکترون انتقال یافته نیز می نامند.
علاوه بر این، لازم به ذکر است که اثر الکترون منتقل شده نیز اثر گان نامیده می شود و پس از کشف جان باتیسکامب گان (J. B. Gunn) در سال 1963 که نشان داد می توان امواج مایکروویو را با اعمال یک ولتاژ ثابت در یک تراشه n- تولید کرد نامگذاری شده است. نوع نیمه هادی GaAs با این حال، توجه به این نکته مهم است که مواد مورد استفاده برای ساخت دیودهای Gunn لزوماً باید از نوع n باشد زیرا اثر الکترون منتقل شده صرفا برای الکترون ها و نه برای حفره ها مناسب است.
علاوه بر این، از آنجایی که GaAs هادی ضعیفی است، دیود های گان گرمای بیش از حد تولید می کنند و بنابراین معمولاً به همراه یک هیت سینک ارائه می شوند. علاوه بر این، در فرکانس های مایکروویو، یک پالس جریان در سراسر منطقه فعال حرکت می کند که از یک مقدار ولتاژ خاص شروع می شود. این حرکت پالس جریان در سراسر ناحیه فعال موجب کاهش گرادیان پتانسیل در سراسر آن می شود که به نوبه خود از تشکیل پالس های جریان بیشتر جلوگیری می کند.
پالس جریان بعدی را می توان تنها زمانی ایجاد کرد که پالس تولید شده قبلی به انتهای ناحیه فعال برسد و یک بار دیگر گرادیان پتانسیل را افزایش دهد. این نشان می دهد که زمان صرف شده توسط پالس جریان برای عبور از منطقه فعال، میزان تولید پالس های جریان را تعیین می کند و بنابراین فرکانس عملیاتی دیود گان را ثابت می کند. بنابراین برای تغییر فرکانس نوسان، باید ضخامت ناحیه فعال مرکزی را تغییر داد.
علاوه بر این، باید توجه داشت که ماهیت مقاومت منفی نشان داده شده توسط دیود گان، آن را قادر می سازد تا هم به عنوان تقویت کننده و هم به عنوان یک نوسان گر (اسیلاتور) کار کند، که مورد دوم به عنوان نوسان گر دیود گان یا نوسان ساز گان شناخته می شود.
مزایا و معایب دیود گان
مزیت دیودهای گان شامل موارد زیر است:
- این دیودها ارزانترین منبع مایکروویو هستند (در مقایسه با گزینه های در دسترس دیگر مانند تیوب های Klystron)
- از نظر اندازه جمع و جور هستند.
- بر روی پهنای باند بزرگ کار می کنند و از ثبات فرکانس بالایی برخوردار هستند.
مضرات دیودهای گان شامل موارد زیر است:
- ولتاژ روشن شدن بالایی دارند
- در کمتر از 10 گیگاهرتز کارآمدی کمتری دارند.
- ثبات دمایی ضعیفی را از خود نشان می دهند.
کاربردهای دیود گان
کاربردهای دیود گان شامل موارد زیر است:
- در نوسان سازهای الکترونیکی برای تولید فرکانس های مایکروویو مورد استفاده قرار می گیرند.
- در تقویت کننده های پارامتری به عنوان منابع پمپ کاربرد دارند.
- در رادارهای پلیس.
- به عنوان سنسورهای موجود در سیستم های باز کردن درب، سیستم های تشخیص تخلف، سیستم های ایمنی عابر پیاده و غیره.
- به عنوان منبعی برای فرکانس های مایکروویو در بازکن های درب اتوماتیک، کنترل کننده های سیگنال ترافیک و غیره.
- در مدارهای گیرنده مایکروویو.
- در ارتباطات رادیویی.
- در سیستم های نظامی.
- به عنوان آشکارسازهای لرزش از راه دور.
- در تاکومترها.
- در ژنراتور دیود گان پالس شده.
- در میکروالکترونیک به عنوان تجهیزات کنترل.
- در تفنگ های سرعت رادار.
- به عنوان فرستنده پیوند داده رله مایکروویو.
- در رادارهای داپلر موج پیوسته.
