O que é um diodo Gunn? Como funciona?

Os diodos Gunn são dispositivos semicondutores que são usados ​​para gerar sinais de micro-ondas de baixa potência de maneira simples e de baixo custo. Estes estão em uso há mais de 60 anos. Os diodos Gunn podem trabalhar com frequências que variam de alguns gigahertz a mais de 100 GHz. Foi descoberto pela primeira vez por J. B. Gunn da IBM no início dos anos 1960.

Hoje, os diodos Gunn estão sendo usados ​​comercialmente em uma ampla gama de aplicações, incluindo linhas de dados de microondas, radar FM e CW de baixa potência, alarmes de intrusão, etc. Sob parâmetros estáveis ​​de temperatura e tensão, os circuitos usando esses diodos podem gerar 15 mW a 1 watt de potência e tem baixo ruído e excelente estabilidade de frequência. Diodos de arma  são especialmente apreciados pelos entusiastas para uso em rádios amadores operando a 10 GHz.

Construção

Um diodo Gunn é fabricado a partir de uma única peça de silício tipo N. Isso é dividido em três seções principais, como visto na Fig. 1.

As regiões superior e inferior do dispositivo incluem material N+ que foi extensivamente dopado, resultando em forte condutividade para interface com os parâmetros externos.

Uma conexão de fio é conectada à base condutora na qual o dispositivo está instalado. A base do aparelho também serve como dissipador de calor para absorver o excesso de calor.

Um link de ouro é colocado na superfície superior que se conecta ao terminal oposto do diodo. Para garantir uma condutividade excepcional e estabilidade relativa, o ouro torna-se essencial.

A região ativa do dispositivo está situada no meio, que é menos extensivamente dopada e tem menor condutividade. Isso geralmente é em torno de 0,5 ohm por centímetro cúbico, o que indica que quase toda a tensão aplicada no dispositivo passa por essa camada do diodo.

A espessura média da camada ativa do diodo é de dez mícrons (0,001 cm). Sua espessura obviamente difere de um diodo para outro porque isso afeta principalmente o funcionamento geral do diodo. Isso implica que a frequência de operação deste dispositivo é um elemento crítico de sua folha de dados.

O diodo Gunn possui um design único, pois é feito inteiramente de material tipo N e não possui junção P-N. Em essência, não é um tipo convencional de diodo, mas funciona em princípios completamente diferentes.

Como funciona um diodo Gunn

Embora o funcionamento de um diodo Gunn possa parecer complexo, pode ser possível entendê-lo em um nível fundamental.

A região central ativa do dispositivo está sujeita à maior parte do potencial criado por uma tensão aplicada. Esta região é extremamente fina, e mesmo uma pequena mudança de voltagem mostra um gradiente de potencial significativo ou flutuação de voltagem em uma certa distância.

Conforme ilustrado na Fig. 2, um pulso de corrente começa a fluir através da zona ativa quando a tensão aplicada atinge um nível específico.

Como resultado, o gradiente de potencial do restante da região ativa diminui, o que interrompe a geração de pulsos de corrente adicionais. Somente após o pulso de corrente cruzar para a extremidade oposta da zona ativa é que o alto gradiente de potencial retorna, permitindo a geração de outro pulso de corrente.

Se a curva de tensão e corrente for traçada, é possível ver a atividade peculiar do pulso de corrente de um ângulo diferente.

Diferença entre um diodo retificador e um diodo Gunn

• As curvas de um diodo retificador convencional e um diodo Gunn estão representadas no diagrama da Figura 3 acima.
• A corrente de um diodo retificador convencional aumenta com a tensão, porém essa relação nem sempre é linear.
• Por outro lado, a corrente de um diodo Gunn começa a subir e, após atingir uma tensão específica, começa a cair antes de aumentar novamente.
• Suas propriedades de oscilação são causadas por essa região onde ela cai, que é chamada de região de 'resistência negativa'.

Configurando a Frequência

Embora a espessura da região ativa determine a frequência geral de operação, ainda é possível alterar a frequência em uma faixa específica. Como o diodo Gunn é um dispositivo de micro-ondas, ele normalmente é instalado em uma cavidade guia de onda para gerar um circuito sintonizado. Sua frequência de operação é determinada pela frequência de ressonância de todo o conjunto.

O processo de ajuste pode ser realizado em uma variedade de métodos. Ao inserir um parafuso ajustável na cavidade do guia de onda, mudanças mecânicas podem ser feitas, permitindo um indicador de ajuste básico.

No entanto, o ajuste elétrico geralmente também é necessário, e um dos dois métodos diferentes pode ser usado. O primeiro método envolve o acoplamento de um diodo varactor ao circuito oscilador Gunn.

Quando a tensão no diodo varactor é alterada, a capacitância muda, fazendo com que a frequência na qual todo o circuito ressoe mude.

Embora esta abordagem seja barata e simples de usar, ela tem muitas desvantagens. Em primeiro lugar, tem um alcance operacional limitado. Em segundo lugar, esta técnica produz muito ruído de fase, o que pode não ser apropriado para muitas aplicações.

Usando YIG para ajuste de frequência efetivo

Usar um material YIG parece ser uma técnica de ajuste mais eficaz. Isso incorpora Yttrium Iron Garnet, uma substância ferromagnética.

Quando o diodo Gunn e o YIG são inseridos na cavidade, o tamanho efetivo da cavidade diminui. Uma bobina é posicionada fora do guia de ondas para fazer isso.

Quando uma corrente flui através da bobina, ela tem o efeito de expandir o volume magnético do YIG e contrair a dimensão elétrica da cavidade. Como resultado, a frequência de operação aumenta. O ruído de fase é significativamente reduzido com o ajuste YIG e uma ampla faixa de frequência pode ser alcançada.

Usando Gunnplexer para rádio amador

O oscilador de diodo Gunn é um componente de um transceptor comercial oferecido pela Advanced Receiver Research para uso de rádio amador. O dispositivo, conhecido como 'Gunnplexer', é usado para produzir e converter sinais amadores nominais de 10 GHz para a banda amadora em 2 metros (144 MHz) ou outras frequências intermediárias inferiores (IFs).

O Gunnplexer consiste em um diodo Gunn conectado a uma antena de chifre retangular de alto ganho junto com diodos do misturador Schottky dentro de uma cavidade de 10 GHz.

Variações de frequência de até 60 MHz da frequência de ressonância normal podem ser alcançadas usando o ajuste de varactor. O diodo Gunn opera tanto como transmissor quanto como oscilador local para o IF de 2 metros convertido.