Диод Ганна

редактировать
Российский диод Ганна

A диод Ганна, также известный как устройство с переносом электронов (TED ), представляет собой форму диода, двухконтактного полупроводникового электронного компонента с отрицательным сопротивлением, используемого в -частота электроника. Он основан на «эффекте Ганна», открытом в 1962 г. физиком Дж. Б. Ганн. Наибольшее распространение он получил в электронных генераторах для генерации микроволн, в таких приложениях, как радарные пушки, микроволновые реле передатчики канала передачи данных и автоматические открыватели дверей.

Его внутренняя конструкция отличается от других диодов тем, что она состоит только из N-легированного полупроводникового материала, тогда как большинство диодов состоит из областей, легированных как P, так и N. Следовательно, он не проводит ток только в одном направлении и не может выпрямить переменный ток, как другие диоды, поэтому некоторые источники не используют термин диод, а предпочитают TED. В диоде Ганна существует три области: две из них сильно легированы азотом на каждом выводе с тонким слоем слегка легированного азота между ними. Когда на устройство подается напряжение, электрический градиент будет самым большим в тонком среднем слое. Если напряжение увеличивается, ток через слой сначала увеличивается, но, в конечном итоге, при более высоких значениях поля, проводящие свойства среднего слоя изменяются, увеличивая его удельное сопротивление и вызывая падение тока. Это означает, что диод Ганна имеет область отрицательного дифференциального сопротивления на кривой вольт-амперной характеристики, в которой увеличение приложенного напряжения вызывает уменьшение тока. Это свойство позволяет ему усиливать, работая как усилитель радиочастоты, или становиться нестабильным и колебаться, когда он смещен постоянным напряжением.

Содержание

  • 1 Генераторы на диодах Ганна
  • 2 История
  • 3 Как это работает
  • 4 Приложения
    • 4.1 Датчики и измерительные инструменты
    • 4.2 Радиолюбители
    • 4.3 Радиоастрономия
  • 5 Справочная информация

Генераторы на диодах Ганна

Вольт-амперная кривая диода Ганна. Он показывает отрицательное сопротивление выше порогового напряжения (V порог)

Отрицательное дифференциальное сопротивление в сочетании с временными характеристиками промежуточного слоя отвечает за наиболее широкое использование диода: в электронные генераторы на микроволновых частотах и ​​выше. Микроволновый генератор можно создать, просто приложив напряжение постоянного тока для смещения устройства в область отрицательного сопротивления. Фактически, отрицательное дифференциальное сопротивление диода нейтрализует положительное сопротивление цепи нагрузки, создавая цепь с нулевым дифференциальным сопротивлением, которая вызывает спонтанные колебания. Частота колебаний частично определяется свойствами среднего слоя диода, но может быть настроен внешними факторами. В практических генераторах к регулирующей частоте обычно добавляется электронный резонатор в виде волновода, микроволнового резонатора или ЖИГ-сфера. Диод обычно устанавливается внутри полости. Диод компенсирует сопротивление потерь резонатора, поэтому он производит колебания на его резонансной частоте . Частоту можно настроить механически, регулируя размер резонатора, или, в случае сфер ЖИГ, изменяя магнитное поле. Диоды Ганна используются для создания генераторов в диапазоне частот от 10 ГГц до высоких (ТГц ).

арсенид галлия диоды Ганна производятся для частот до 200 ГГц, материалы из нитрида галлия могут достигать 3 терагерц.

История

NASA Ученый ERC проведение эксперимента с эффектом Ганна.

Диод Ганна основан на эффекте Ганна, и оба названы в честь физика Дж. Б. Ганн, который в 1962 году в IBM открыл этот эффект, поскольку он отказался принять противоречивые экспериментальные результаты с арсенидом галлия как «шум», и выследил причину. Алан Чиновет из Bell Telephone Laboratories показал в июне 1965 года, что только механизм перенесенных электронов может объяснить экспериментальные результаты. Стало понятно, что обнаруженные им колебания объясняются теорией Ридли-Уоткинса-Хилсума, названной в честь британских физиков Брайана Ридли, Тома Уоткинса и Сирила Хилсама, которые в научных статьях в 1961 году показал, что объемные полупроводники могут отображать отрицательное сопротивление, что означает, что увеличение приложенного напряжения вызывает уменьшение тока.

Эффект Ганна и его связь с эффектом Уоткинса-Ридли-Хилсума вошли в электронную литературу в начале 1970-х годов, например в книгах по устройствам с переносом электронов и, в последнее время, по нелинейным волновым методам переноса заряда.

Русский генератор на диоде Ганна. Диод установлен внутри полости (металлический корпус), которая выполняет роль резонатора для определения частоты. Отрицательное сопротивление диода возбуждает микроволновые колебания в резонаторе, излучающие из прямоугольного отверстия в волновод (не показан). Частоту можно отрегулировать, изменив размер резонатора с помощью винта с шлицевой головкой.

Принцип работы

электронная зонная структура некоторых полупроводников материалов, включая арсенид галлия (GaAs), имеют другую энергетическую зону или подзону в дополнение к валентным и зонам проводимости, которые обычно используются в полупроводниковые приборы. Эта третья зона имеет более высокую энергию, чем нормальная зона проводимости, и остается пустой до тех пор, пока не будет подана энергия, которая продвигает в нее электроны. Энергия исходит из кинетической энергии баллистических электронов, то есть электронов в зоне проводимости, но движущихся с достаточной кинетической энергией, чтобы они могли достичь третьей зоны.

Эти электроны либо начинаются ниже уровня Ферми, и им дается достаточно длинный свободный пробег, чтобы набрать необходимую энергию за счет приложения сильного электрического поля, либо они инжектируются катодом с правильная энергия. При приложении прямого напряжения уровень Ферми в катоде перемещается в третью зону, и отражения баллистических электронов, начинающиеся вокруг уровня Ферми, сводятся к минимуму за счет согласования плотности состояний и использования дополнительных интерфейсных слоев, позволяющих отраженным волнам деструктивно интерферировать.

В GaAs эффективная масса электронов в третьей зоне выше, чем в обычной зоне проводимости, поэтому подвижность или дрейфовая скорость электронов в эта полоса ниже. По мере увеличения прямого напряжения все больше и больше электронов могут достигать третьей полосы, заставляя их двигаться медленнее, и ток через устройство уменьшается. Это создает область отрицательного дифференциального сопротивления в соотношении напряжение / ток.

Когда к диоду приложен достаточно высокий потенциал, плотность носителей заряда вдоль катода становится нестабильной и образуются небольшие участки с низкой проводимостью, а остальная часть катода имеет высокую проводимость. Большая часть катодного падения напряжения будет происходить на сегменте, поэтому он будет иметь высокое электрическое поле. Под действием этого электрического поля он будет двигаться по катоду к аноду. Невозможно сбалансировать населенность в обоих диапазонах, поэтому всегда будут тонкие срезы высокой напряженности поля на общем фоне низкой напряженности поля. Таким образом, на практике при небольшом увеличении прямого напряжения на катоде создается сегмент с низкой проводимостью, сопротивление увеличивается, сегмент перемещается вдоль стержня к аноду, и когда он достигает анода, он поглощается, и создается новый сегмент. на катоде, чтобы общее напряжение оставалось постоянным. Если напряжение понижается, любой существующий слой гасится, и сопротивление снова уменьшается.

Лабораторные методы, которые используются для выбора материалов для изготовления диодов Ганна, включают фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением.

Приложения

Разобранный радар для измерения скорости. Серая сборка прикреплена к концу медного цвета рупорной антенны представляет собой диод генератор Ганна, который генерирует микроволны.

Из-за их высокой способности частоты, диоды Ганна в основном используются в диапазоне сверхвысоких частот и выше. Они могут производить на этих частотах одну из самых высоких выходных мощностей среди полупроводниковых устройств. Чаще всего они используются в генераторах, но они также используются в микроволновых усилителях для усиления сигналов. Поскольку диод представляет собой устройство с одним портом (с двумя выводами), схема усилителя должна отделять исходящий усиленный сигнал от входящего входного сигнала для предотвращения связи. Одна из распространенных схем - это усилитель отражения, в котором для разделения сигналов используется циркулятор . Тройник смещения необходим для изоляции тока смещения от высокочастотных колебаний.

Датчики и измерительные приборы

Генераторы на диодах Ганна используются для генерации СВЧ-энергии для: бортовой РЛС предотвращения столкновений, антиблокировочной системы тормозов, датчиков для наблюдения за транспортным потоком, автомобильные радар-детекторы, системы безопасности пешеходов, регистраторы пройденного расстояния, детекторы движения, датчики "медленной скорости" (для обнаружения пешеходов и движения транспорта вверх до 85 км / ч (50 миль / ч)), контроллеры сигналов светофора, автоматические открыватели дверей, автоматические ворота, оборудование управления технологическим процессом для контроля пропускной способности, охранная сигнализация и оборудование для обнаружения нарушителей, датчики для предотвращения схода поездов с рельсов, удаленные датчики вибрации, поворотные скоростные тахометры, датчики влажности.

Радиолюбители

Ввиду того, что они работают при низком напряжении, диоды Ганна могут служить в качестве генераторов микроволновых частот для очень маломощных (несколько милливатт) микроволновых трансиверов, называемых Ганнплексеры . Впервые они были использованы британскими радиолюбителями в конце 1970-х годов, и многие разработки Gunnplexer были опубликованы в журналах. Обычно они состоят из волновода диаметром около 3 дюймов, в который устанавливается диод. Для управления диодом используется низковольтный (менее 12 В) источник постоянного тока, который может модулироваться соответствующим образом. Волновод заблокирован на одном конце, образуя резонатор, а другой конец обычно питает рупорную антенну . В волновод вставлен дополнительный «смеситель диод», который часто подключается к модифицированному приемнику FM-вещания, чтобы обеспечить прослушивание других любительских станций. Ганнплексоры чаще всего используются в любительских диапазонах 10 ГГц и 24 ГГц, и иногда сигнализация безопасности 22 ГГц модифицируется, поскольку диод (ы) можно поместить в слегка расстроенный резонатор со слоями. из меди или алюминиевой фольги с противоположных сторон для перехода на лицензированный любительский диапазон. Как правило, смесительный диод, если он не поврежден, повторно используется в существующем волноводе, и эти части хорошо известны своей чрезвычайно чувствительной к статике. На большинстве коммерческих устройств эта часть защищена параллельным резистором и другими компонентами, а в некоторых атомных часах Rb используется вариант. Смесительный диод полезен для низкочастотных приложений, даже если диод Ганна ослаблен из-за использования, и некоторые радиолюбители использовали их в сочетании с внешним генератором или диодом Ганна с длиной волны n / 2 для поиска спутников и других приложений.

Радиоастрономия

Генераторы Ганна используются в качестве гетеродинов для радиоастрономических приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Диод Ганна установлен в резонаторе, настроенном так, чтобы резонировать на двойной основной частоте диода. Длина полости изменяется микрометрической регулировкой. Доступны генераторы Ганна, способные генерировать более 50 мВт в 50% диапазоне настройки (одна полоса волновода).

Частота генератора Ганна умножается на диодный умножитель частоты для приложений субмиллиметрового диапазона.

Ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с диодами Ганна.
Последняя правка сделана 2021-05-22 13:32:01
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте