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¿Qué es un diodo Gunn?Símbolos, Estructuras, Funciones, Ventajas, Desventajas, Usos
Un diodo es un componente basado en semiconductores que permite que la corriente fluya en una sola dirección. Tiene dos terminales, ánodo y cátodo. Este es un interruptor electrónico que tiene una resistencia muy baja en polarización directa y una resistencia muy alta en polarización inversa. Se utiliza para la rectificación y conmutación de señales.
Hay varios tipos de diodos diseñados para realizar funciones específicas. Los diodos Gunn son un tipo de diodo de campana utilizado debido a sus características de resistencia negativa y su velocidad de conmutación muy rápida en las frecuencias de microondas. En este artículo, discutiremos los diodos Gunn en detalle.
diodo gunn
Un diodo Gunn es un tipo de diodo con dos terminales con una resistencia negativa que se utiliza para velocidades de conmutación muy rápidas.Aunque no se considera un diodo porque no contiene una unión PN convencional y está hecho de un solo semiconductor de tipo N. dispositivo de transferencia de electrones “ted”. Conduce en ambas direcciones y no se puede utilizar para la rectificación. Se llama diodo porque tiene dos terminales, un ánodo y un cátodo.
Funciona según el principio del “efecto pistola”. El fenómeno lleva el nombre del físico británico John Battiscombe Gunn (JB Gunn), quien lo descubrió en 1963. Observó que después de aplicar un voltaje muy alto a una capa muy delgada de semiconductor, se producían vibraciones de alta frecuencia.
Por lo general, está hecho de arseniuro de galio GaAs y nitruro de galio GaN con frecuencias operativas de hasta 200 GHz, mientras que los diodos Gunn alcanzan frecuencias operativas de hasta 3 THz.
Símbolo del diodo de Gunn
El símbolo del diodo de Gunn se parece a dos diodos convencionales conectados uno frente al otro, como se muestra en la siguiente figura.
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construcción
Los diodos Gunn están hechos exclusivamente de semiconductores de tipo N. Esto se debe a que el efecto del electrón transferido (discutido a continuación) ocurre solo en materiales de tipo N y no en materiales de tipo P. Los materiales utilizados en los diodos Gunn son arseniuro de galio (GaAs), nitruro de galio (GaN), fosfuro de indio (InP), arseniuro de indio (InAs), antimoniuro de indio (InSb), telururo de cadmio (CdTe) y sulfuro de cadmio (CdS), y cinc. Seleniuro (ZnSe). Todas estas sustancias tienen electrones como portadores mayoritarios.
Un diodo Gunn en realidad está hecho de tres capas de material tipo N. Las dos capas de los extremos están fuertemente dopadas y la capa delgada del medio está ligeramente dopada, conocida como capa intermedia. Por lo general, una capa intermedia delgada crece epitaxialmente sobre el sustrato N+. Por otro lado, la capa superior de N+ está formada por una técnica de implantación de iones. Así, se forma una estructura semiconductora de tres capas. El ancho de la capa intermedia determina la frecuencia de funcionamiento del dispositivo. Se proporciona un contacto de metal u óhmico en el extremo para la polarización. Además, se adjunta un disipador de calor para evitar el sobrecalentamiento.
efecto cancer
El efecto del cáncer fue descubierto por JB Gunn en 1963. En ciertos materiales semiconductores como el arseniuro de galio GaAs y el fosfuro de indio, la banda de conducción de InP tiene dos valles, un valle inferior y un valle superior, según la movilidad. Hay una pequeña brecha de energía entre los dos valles.
Los electrones residen inicialmente en la banda de valencia. Después de ganar cierta energía igual a la banda prohibida entre la banda de valencia y la banda de conducción, el electrón salta a la banda de conducción. Inicialmente, el electrón está en el valle inferior donde la masa efectiva del electrón es muy pequeña y la movilidad es alta. Los semiconductores se comportan óhmicamente. Es decir, la corriente aumenta a medida que aumenta el voltaje.
A medida que aumenta la energía ganada por el electrón en el valle inferior, el electrón salta al valle superior donde el electrón tiene una masa efectiva más alta y una movilidad más baja. Por lo tanto, a medida que los electrones se mueven hacia los valles superiores debido a un aumento en el voltaje aplicado, la corriente a través del semiconductor disminuye. La transferencia de electrones entre estos dos valles se conoce como efecto de transferencia de electrones o efecto Gunn, llamado así por el físico que lo descubrió.
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trabajar
Los diodos Gunn funcionan según el principio del efecto Gunn explicado anteriormente. Cuando se aplica un voltaje, se establece un campo eléctrico a través de la capa activa (capa intermedia delgada). El flujo de corriente aumenta al aumentar el voltaje aplicado. El dispositivo tiene resistencia positiva. La corriente aumenta hasta que la tensión sube hasta la tensión umbral Vth.
A medida que el voltaje aumenta más allá del umbral Vth, la densidad de corriente comienza a disminuir, lo que se conoce como efecto Gunn. A medida que aumenta el voltaje aplicado, la corriente disminuye. En esta región el dispositivo exhibe resistencia negativa.
Cuando un pulso de corriente ingresa a la capa activa, la diferencia de voltaje a través de la capa activa disminuye, evitando que pase otro pulso de corriente hasta que el pulso de corriente anterior haya pasado por el otro extremo. La diferencia de voltaje aumenta nuevamente y comienza otro pulso a través de la capa activa. Por lo tanto, la frecuencia de operación depende de la longitud de la capa activa.
A medida que el voltaje aumenta aún más, más allá de un límite llamado voltaje de valle o punto de valle, la corriente comienza a aumentar nuevamente y el dispositivo exhibe nuevamente una resistencia positiva.
Características de los VI
La curva característica VI muestra la relación entre el voltaje y la corriente a través del diodo Gunn en la figura a continuación.
Como queda claro en el gráfico, hasta el voltaje de umbral Vth, la corriente primero aumenta a medida que aumenta el voltaje aplicado. A medida que el voltaje excede Vth, la corriente comienza a disminuir como lo indica la pendiente negativa de la gráfica. Esta región se conoce como la región de resistencia negativa. Los diodos de Gunn se utilizan para generar oscilaciones de alta frecuencia en esta región y amplificar la señal.
La corriente disminuye hasta el punto del valle. Un aumento adicional en el voltaje hace que la corriente aumente nuevamente.
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oscilador de diodo gunn
Los diodos Gunn se utilizan para fabricar osciladores que generan frecuencias de microondas en el rango de 10 GHz a THz. Las tres regiones de resistencia negativa de un diodo Gunn se utilizan para producir oscilaciones conocidas como efecto Gunn o efecto de transferencia de electrones cuando se aplican voltajes muy altos al diodo Gunn.
Se aplica un voltaje de polarización de CC al diodo Gunn, polarizándolo hacia la región de resistencia negativa. La resistencia diferencial negativa se combina con la resistencia diferencial positiva del elemento del circuito para cancelarse entre sí, lo que da como resultado una resistencia diferencial cero. Por lo tanto, produce una oscilación sostenida que puede ser controlada por un circuito externo.
Ventajas y Contras
ventaja
Algunas ventajas de los diodos Gunn son:
- Los diodos Gunn ofrecen frecuencias operativas muy altas en el rango de cientos de GHz.
- Esta es una opción muy económica y económica para las frecuencias de microondas.
- Es de tamaño pequeño y no ocupa mucho espacio.
- Muy confiable en operación de alta frecuencia.
- Es muy relativamente muy eficiente.
- Amplio ancho de banda operativo.
- El voltaje de funcionamiento es bajo.
- Los diodos de Gunn tienen valores de SNR de señal a ruido muy altos porque son inmunes al ruido.
Contras
Aquí hay algunas desventajas de los diodos Gunn:
- Se requiere alto voltaje en la región de resistencia negativa.
- Su eficiencia cae a bajas frecuencias por debajo de 10 GHz.
- La temperatura de polarización afecta en gran medida su rendimiento. Por lo tanto, es menos estable.
- Ciertas aplicaciones tienen menos inmunidad al ruido y son más ruidosas.
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solicitud
Los diodos de Gunn se utilizan principalmente en frecuencias de microondas.
- Oscilador de pistola: Utilizado en osciladores Gunn para generar frecuencias muy altas de 200 GHz. Este oscilador se utiliza en comunicaciones inalámbricas, transceptores de microondas y radares militares.
- Oscilador y amplificador: La región de resistencia negativa del diodo Gunn, donde la corriente y la cosecha cambian inversamente entre sí, se usa para amplificar la señal y la oscilación.
- sensor: También se utiliza en sensores que generan frecuencias de microondas, como sistemas de detección de proximidad, sistemas de apertura de puertas, controladores inteligentes de semáforos, sistemas de seguridad, alarmas contra intrusos, indicadores de distancia, sistemas de control de procesos y sensores de nivel.
- Tacómetro: Los diodos Gunn se utilizan en tacómetros sin contacto para medir la velocidad de rotación de ruedas, ejes de motores, etc. Los diodos Gunn transmiten un haz de pulsos de microondas que se reflejan cada vez que giran desde una marca reflectante. La velocidad se calcula en revoluciones por minuto RPM.
- radar Doppler: Se utiliza en radares Doppler de onda continua para proporcionar datos de velocidad de cualquier objeto. Transmite pulsos de microondas para que reboten en objetos y usa cambios en la frecuencia de la señal transmitida para calcular la velocidad.
- Generador de diodos de pistola de pulsos: Se utiliza para generar corrientes pulsadas en el rango de frecuencia de microondas.
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