מהי דיודה גאן? איך זה עובד?

דיודות גאן הן התקני מוליכים למחצה המשמשים להפקת אותות מיקרוגל בהספק נמוך בצורה פשוטה ובעלות נמוכה. אלה נמצאים בשימוש כבר יותר מ-60 שנה. דיודות גאן יכולות לעבוד עם תדרים הנעים בין כמה גיגה-הרץ למעל 100 גיגה-הרץ. הוא התגלה לראשונה על ידי ג'יי ב. גאן מ-IBM בתחילת שנות ה-60.

כיום, דיודות Gunn נמצאות בשימוש מסחרי במגוון רחב של יישומים, כולל קווי נתונים במיקרוגל, מכ'ם FM ו-CW בעלי הספק נמוך, אזעקות פורץ פולשים וכו'. תחת פרמטרי טמפרטורה ומתח יציבים, מעגלים המשתמשים בדיודות אלו יכולים לייצר 15 mW ל הספק של 1 וואט ובעל רעש נמוך ויציבות תדר מעולה. דיודות אקדח אהובות במיוחד על חובבים לשימוש במכשירי רדיו חובבים הפועלים בתדר 10 גיגה-הרץ.

בְּנִיָה

דיודת גאן מיוצרת מחתיכה אחת של סיליקון מסוג N. זה מחולק לשלושה חלקים ראשוניים, כפי שניתן לראות באיור 1.

האזורים העליונים והתחתונים של המכשיר כוללים חומר N+ שעבר סימום נרחב, וכתוצאה מכך מוליכות חזקה להתממשקות עם הפרמטרים החיצוניים.

חיבור חוט מחובר לבסיס המוליך עליו מותקן המכשיר. בסיס המכשיר משמש גם כגוף קירור לקליטת החום העודף.

קישור זהב ממוקם על המשטח העליון המתחבר עם המסוף הנגדי של הדיודה. כדי להבטיח מוליכות יוצאת דופן ויציבות יחסית, הזהב הופך חיוני.

האזור הפעיל של המכשיר ממוקם באמצע, שהוא פחות מסומם ובעל מוליכות נמוכה יותר. זה בדרך כלל בסביבות 0.5 אוהם לסנטימטר מעוקב, מה שמעיד שכמעט כל המתח המופעל על המכשיר עובר בשכבה זו של הדיודה.

העובי הממוצע של השכבה הפעילה של הדיודה הוא עשרה מיקרון (0.001 ס'מ). ברור שהעובי שלו יהיה שונה מדיודה אחת לאחרת מכיוון שזה משפיע בעיקר על העבודה הכוללת של הדיודה. זה מרמז שתדירות הפעולה של מכשיר זה היא מרכיב קריטי בגיליון הנתונים שלו.

לדיודה Gunn עיצוב ייחודי מכיוון שהיא מורכבת כולה מחומר מסוג N ואין לה צומת P-N. למעשה, זה לא סוג קונבנציונלי של דיודה, אלא מתפקד על פי עקרונות שונים לגמרי.

איך עובדת דיודה גאן

למרות שפעולתה של דיודה גאן יכולה להיראות מורכבת, ייתכן שניתן להבין אותה ברמה הבסיסית.

אזור המרכז הפעיל של המכשיר נתון לרוב הפוטנציאל שנוצר על ידי מתח מופעל. אזור זה דק במיוחד, ואפילו שינוי מתח קטן מראה שיפוע פוטנציאלי משמעותי או תנודת מתח לאורך מרחק מסוים.

כפי שמוצג באיור. 2, דופק זרם מתחיל לזרום דרך האזור הפעיל כאשר המתח המופעל עליו מגיע לרמה מסוימת.

כתוצאה מכך, שאר הגרדיאנט הפוטנציאלי של האזור הפעיל פוחת, מה שעוצר את יצירת פולסי זרם נוספים. רק לאחר שהפולס הנוכחי עובר לקצה הנגדי של האזור הפעיל חוזר הגרדיאנט הפוטנציאלי הגבוה, ומאפשר יצירת דופק זרם נוסף.

אם מתווים את עקומת המתח והזרם, אפשר לראות את פעילות דופק הזרם המיוחדת מזווית אחרת.

ההבדל בין דיודה מיישר לדיודה גאן

• העקומות של דיודת מיישר קונבנציונלית ודיודת Gunn מתוארות בתרשים באיור 3 לעיל.
• זרם של דיודה מיישר קונבנציונלית עולה עם המתח, אולם קשר זה אינו תמיד ליניארי.
• מצד שני, זרם של דיודה גאן מתחיל לעלות ולאחר שהגיע למתח מסוים, מתחיל לרדת לפני שהוא עולה שוב.
• תכונות התנודה שלו נגרמות על ידי אזור זה שבו הוא יורד, אשר מכונה אזור 'התנגדות שלילית'.

הגדרת התדר

למרות שעובי האזור הפעיל קובע את תדר הפעולה הכללי, עדיין ניתן לשנות את התדר בטווח מסוים. מכיוון שדיודת גאן היא מכשיר מיקרוגל, היא מותקנת בדרך כלל בחלל מנחה גל כדי ליצור מעגל מכוון. תדירות הפעולה שלו נקבעת על ידי תדר התהודה של המכלול כולו.

תהליך הכוונון יכול להתבצע במגוון שיטות. על ידי הכנסת בורג מתכוונן לתוך חלל מוליך הגל, ניתן לבצע שינויים מכניים, המאפשרים מחוון כוונון בסיסי.

עם זאת, בדרך כלל יש צורך בכוונון חשמלי, וניתן להשתמש באחת משתי שיטות שונות. השיטה הראשונה כוללת צימוד של דיודת ורקטור למעגל המתנד של Gunn.

כאשר המתח על דיודת הוורקטור משתנה, הקיבול משתנה, מה שגורם לשינוי התדר שבו כל המעגל מהדהד.

למרות שגישה זו היא זולה ופשוטה לשימוש, יש לה חסרונות רבים. ראשית, יש לו טווח פעולה מוגבל. שנית, טכניקה זו מייצרת הרבה רעש פאזה, שאולי אינו מתאים ליישומים רבים.

שימוש ב-YIG לכוונון תדר יעיל

שימוש בחומר YIG נראה כטכניקת כוונון יעילה יותר. זה משלב איטריום ברזל נופך, חומר פרומגנטי.

כאשר דיודת גאן ו-YIG מוכנסות לחלל, הגודל האפקטיבי של החלל מצטמצם. סליל ממוקם מחוץ למוביל הגל כדי לעשות זאת.

כאשר זרם זורם דרך הסליל, יש לו השפעה של הרחבת הנפח המגנטי של ה-YIG וכיווץ הממד החשמלי של החלל. כתוצאה מכך, תדירות הפעולה עולה. רעש הפאזה מופחת באופן משמעותי עם כוונון YIG, וניתן להשיג טווח תדרים גדול.

שימוש ב-Gunnplexer לרדיו חובבים

מתנד דיודה Gunn הוא רכיב של מקלט משדר מסחרי המוצע על ידי Advanced Receiver Research עבור שימוש ברדיו חובבני. המכשיר, המכונה 'Gunnplexer', משמש להפקה ולהמרה כלפי מטה של ​​אותות חובבים נומינליים מ-10 גיגה-הרץ לפס החובבים ב-2 מטרים (144 מגה-הרץ), או תדרי ביניים נמוכים אחרים (IFs).

ה-Gunnplexer מורכב מדיודת Gunn המחוברת לאנטנת צופר מלבנית עם עוצמה גבוהה יחד עם דיודות מערבל Schottky הסגורות בתוך חלל של 10 GHz.

ניתן להשיג שינויים בתדר של עד 60 מגה-הרץ מתדר התהודה הרגיל באמצעות כוונון ורקטור. דיודת Gunn פועלת גם כשדר וגם כמתנד מקומי עבור ה-IF של 2 מטר שהומר למטה.