Gunn-dióda

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
1. ábra: Gunn-dióda milliméterpapíron - szovjet gyártmány, tip.:3A703B

A Gunn-dióda olyan két-kivezetéses, negatív ellenállású nemlineáris jellegű félvezető eszköz, amely megfelelően hangolt áramköri elemekkel együtt mikrohullámú rezgéskeltésre alkalmas. Gunn-diódával általában 1–600 GHz közötti frekvenciájú rezgések állíthatóak elő és a keltett rezgések teljesítménye (további erősítés nélkül) 1 mW és 500 mW között van. A Gunn-diódák nagyközönség által leginkább ismert alkalmazása a közúti radar (traffipax), de Gunn-diódákat használnak egyes mikrohullámú vevőkészülékek helyi oszcillátoraiban is.

Története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Gunn-diódák elméleti alapjait, mint lehetséges folyamatot 1961-ben B.K. Ridley és T. B. Watkins közölte[1], majd 1962-ben Hilsum is hasonló következtetésre jutott[2], ám elméleteiket nem sikerült kísérletekkel alátámasztani.[3]

Gallium-arzeniddel végzett kísérletek során Jonn Battiscombe Gunn – az IBM egyik fizikusa –, 1963-ban azt vizsgálta, hogy a különböző félvezető anyagok mekkora térerősséget képesek elviselni, és meglepetéssel tapasztalta a mikrohullámú rezgések létrejöttét egy bizonyos feszültség fölött[2]. Több lehetséges magyarázattal sietett is a jelenséget publikálni[4], azonban egyik elmélete sem állta meg a helyét.[3]

Herbert Krömer 1964-ben rámutatott,[5] hogy Ridley és Watkins, Hilson korábbi elméleti kutatásainak valamint a J. B. Gunn által felfedezett jelenség egyezésére. A későbbi vizsgálatok őt igazolták, a diódát pedig a jelenség felfedezőjéről Gunn-diódának nevezték el.[3]

A Gunn-diódák eredetileg gallium-arzenid (GaAs) alapúak voltak, azonban más szilárd oldat típusú félvezetőkből is készíthetőek: így például gallium-aluminium-arzenid (GaAlAs), indium-antimonid (InSb), az indium-foszfid, az indium-arzenid, a kadmium-tellurid, és cink-szelenid is felhasználható az alkalmazás céljától függően.

Felépítése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Gunn-dióda nem tartalmaz a hagyományos értelemben vett félvezető jellegű P-N átmeneteket. Az eredeti Gunn-dióda egy N-típusúra szennyezett gallium-arzenid kristály volt. Ezt a kristályt hűtőfelületre szerelik fel - egyúttal ez a negatív elektróda is. A kristály másik oldalára gőzölögtetik a másik elektródát. Tehát az eredeti Gunn-dióda két fémréteg között egy N-típusúra szennyezett kristályból áll, amelyet légmentesen tokoznak. Az újabb kialakítású Gunn-diódák olyan megoldásúak, hogy három rétegből állnak: két végen és közötte ugyanolyan anyagú és vezetésű, de a végeken erősebben szennyezett réteg van, tehát N^{++}N^+N^{++} rétegekből áll. A három réteg együttes vastagsága 2-10µm között van. A kristály kivezetései arany-alumínium-nikkel ötvözetből vannak. Bár az arany a legjobb elektromos vezető, színarany mégsem alkalmazható Gunn-dióda elektródájaként, mert idővel a kristályba diffundál, megváltoztatva (elrontva) annak félvezető tulajdonságait. Külső kialakításában vagy az 1. ábra szerinti, vagy pedig menettel rögzíthető (becsavarható).

Működése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az ideális Gunn-dióda viselkedését a 2. ábra szemlélteti:

2. ábra: Idealizált Gunn-dióda áram-feszültség jelleggörbéje
  • Fokozatosan növelve a Gunn-diódára kapcsolt megfelelő polaritású egyenfeszültséget (kapocsfeszültség), egy bizonyos feszültség-értékig (ami az adott típusú Gunn-diódára jellemző érték) az áram lineárisan növekedik a kapocsfeszültség növelésével.
  • Elérve egy küszöbszintet (letörési feszültség), a félvezető telítésbe jut.
  • A feszültség további növekedésével az áram meredeken esni kezd, az Ohm-törvényből következően a Gunn-dióda kapcsain mérhető ellenállás negatív karakterisztikájú lesz. Haonló tulajdonságot számos félvezető eszköz mutat, így például az alagútdióda, egyátmenetű tranzisztor, a tirisztor is. Lényeges azonban, hogy a Gunn-diódánál ez a jelenség sokkal határozottabb, mint a többi eszköznél.

A Gunn-effektus az­által jön létre, hogy az említett félvezetőkben a ve­zetési elektronok részére több energiasáv áll rendelkezésre. Megfelelő nagyságú elektromos tér hatására az alapsávból a melléksávba léphetnek át az elektro­nok. Itt azonban mozgékonyságuk kisebb, az áram­erősség emiatt csökken, az áram-feszültség karakterisztikán (2. ábra) negatív ellenállású szakasz jelenik meg. A megfelelően kialakított áramkörben ennek következtében rezgések keletkeznek, amelyek frekvenciája a félvezető lemezvastagságától és anyagi tulajdonságaitól függ. A rezgések kialakulásának feltétele a megfelelő munkapont beállítása[6]A rezgések spontán indulnak meg, valamilyen apró kristályhiba, vagy a kristály hőmérsékleti különbségének következtében. Végeredményben a Gunn-dióda a sarkaira kapcsolt egyenfeszültséget mikrohullámú rezgésekké alakítja.

  • Tovább növelve a feszültséget a Gunn-effektus megszűnik, a feszültség és áram között ismét lineáris összefüggés lesz. A valóságos Gunn-dióda működése ugyan jól megközelíti az itt leírtakat, azonban ez az utolsó szakasz rendszerint hiányzik és a negatív szakasz esése is kevésbé meredek[7]

A működési frekvenciát erősen befolyásolja a kristály hosszmérete. Az aránylag nagy átfolyó egyenáram miatt a kristályszelet erős hűtést igényel. A keletkezett hő viszont a rossz hővezető kristályból csak akkor vonható el, ha az kellően vékony. A kristályok vastagsága a fő oka, hogy a Gunn-diódák általában csak 1 GHz felett rezgőképesek.

A rezgések keletkezése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A rezgések létrejöttének megértéséhez szükséges az alábbi kis kitérőt tenni:

  • Ha egy rezgőkörrel egyetlen esetben energiát közlünk, majd magára hagyjuk, akkor a rezgései a mindenkor fennálló veszteségek miatt a 3. ábra szerinti csillapodó rezgések lesznek[8] Érvényes, hogy 0<R<2\sqrt{L/C}
  • Ha a rezgőkörrel megfelelő időközökben folyamatosan energiát közlünk (a veszteségeit külső forrásból pótoljuk), akkor a 4. ábra szerinti harmonikus rezgőmozgást kapjuk.[9] Ebben az esetben R = 0
  • Ha a rezgőkörrel több energiát közlünk, mint amennyi a rezgés fenntartásához szükséges, akkor egyre növekvő amplitúdójú rezgéseket kapunk (5. ábra). Érvényes, hogy -2\sqrt{L/C}<R<0

Az energiaközlés azonban párhuzamosan kapcsolt negatív ellenállás (esetünkben a Gunn-dióda) miatt is lehetséges, hiszen a rezgőkör eredő (látszólagos) ellenállása a párhuzamosan kapcsolt negatív tag miatt csökken.[10]A keletkezett egyre erősödő rezgések amplitúdójának a betáplált energia és a környezet szab határt.

Előnyei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Aránylag egyszerű gyártástechnológia;
  • a keltett hullámok kevés zajt tartalmaznak.

Hátrányai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • A Gunn-diódák néhány százalékos (1-6%) hatásfokúak;
  • kimenő mikrohullámú teljesítményük típusfüggő: 1 és 500 mW között van.
  • Még a félvezetőiparban is szokatlanul nagy tisztaságú alapanyagokra van szükség.
  • Az alkalmazott igen magas frekvenciák miatt érzékeny a tápfeszültség és a környezeti hőmérséklet változásaira (elhangolódhat). Emiatt gyakran termosztátba helyezik és stabilizált tápegységről működtetik.
  • Érzékeny a terhelés változásaira is (elhangolódhat), emiatt gyakran üregrezonátorral csatolják ki a keltett jelet.[11]
  • Konstrukciójától és anyagától függően egy adott típusú dióda csak bizonyos frekvenciatartományban működőképes. Konkrét felhasználásról a gyártóművi adatlapok tájékoztatnak.
  • A frekvencia növelésével a kristályból kicsatolható teljesítmény rohamosan csökken, 50 mW már nagy teljesítménynek számít[12].

Alkalmazása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Gunn-diódák fő alkalmazási területe a mikrohullámú hírközlés. A rendkívül rövid hullámhosszak miatt tekercsek helyett üregrezonátorokat alkalmaznak (6. ábra).

6. ábra: Különböző Gunn-diódás mikrohullámú oszcillátorok

Hasonló egységek készen is kaphatóak, például a Ducomm Technologies vagy a Macom cégek sorozatban gyártanak mikrométercsavarral hangolható mikrohullámú Gunn-diódás egységeket.

A Gunn-diódás oszcillátorból nemcsak alapfrekvenciát, hanem annak valamelyik többszörösét (felharmonikusát) is ki lehet venni, megfelelő méretű rezonátorokkal. Gunn-diódával létrehozható legmagasabb (felharmonikus) frekvencia 600 GHz körül van. A hírközlésen kívül elterjedten alkalmazzák még:

  • rádióamatőr kommunikáció (vevőkészülékekben is),
  • sebességmérés (Traffipax),
  • távolságmérés,
  • Terahertz-es képalkotás (biztonságtechnika)[13]

Magyarországi helyzetkép[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Magyarországon az 1970-es évek óta kiterjedt kutatás folyik, mind a Gunn-diódák gyártástechnológiája[14], mind pedig alkalmazás terén.[15][16]

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. http://iopscience.iop.org/0370-1328/78/2/315/ Ridley - Watkins: The Possibility of Negative Resistance Effects in Semiconductors, 1961, Proceedings of the Physical Society
  2. ^ a b http://www.scribd.com/doc/85076429/Gunn-Diode Gunn Diode Syed Muhammad Zaidi: The Gunn Diode
  3. ^ a b c http://www.termeszetvilaga.hu/fizika_eve/tortenet/nobel/fizika/nobelsz.html
  4. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0038109863900413 J. B. Gunn: Microwave Oscillation of Current in III-V Semiconductors, 1963
  5. http://www.ece.ucsb.edu/faculty/Kroemer/pubs/4_64GunnEffect.pdf H. Kroemer: Theory of the Gunn effect
  6. Vagyis a Gunn-diódára kapcsolt egyenfeszültség a 2. ábra görbéjének eső szakaszára kerüljön.
  7. http://www.microsemi.com%2Fdocument-portal%2Fdoc_download%2F9677-msc-gunn-diodes-cath-hs-pdf Microsemi adatlap, 4. o.
  8. Ilyen hullámforma a vízbe ejtett kisebb kavics körül alakul ki.
  9. Folyamatosan meglökött hinta esete.
  10. Valójában nem az ohmikus ellenállásokat (rezisztenciákat), hanem az adott frekvencián létrejövő impedanciákat kellene figyelembe venni, de ez az elv megértése szempontjából mellékes.
  11. http://www.hiradastechnika.hu/data/upload/file/1976/11/1976_11_02.PDF Dr. Berceli Tibor: Mikrohullámú diódás oszcillátorok, Híradástechnika, XXVII. évf. 11. sz. 321-332. o.
  12. gunn.winterwolf.co.uk/reports/final‎ Michaell Gaskill et al.: High Power Gunn Diode Oscillators, 2004
  13. http://spie.org/x36521.xml?ArticleID=x36521 Mohamed Missous et al.: Advanced step-graded Gunn diode for millimeter-wave imaging applications
  14. http://www.hiradastechnika.hu/data/upload/file/1977/02/1977_02_04.PDF Andrási Andorné et al.: GaAs alapú Gunn-diódák a 7—10 GHz-es frekvenciasávra, Híradástechnika, XXVIII. évf. 2. sz. 42-49. o.
  15. http://www.hiradastechnika.hu/data/upload/file/1976/11/1976_11_02.PDF Dr. Berceli Tibor: Mikrohullámú diódás oszcillátorok, Híradástechnika, XXVII. évf. 11. sz. 321-332. o.
  16. http://hadmernok.hu/2010_2_bunyitai.pdf Bunyitai Ákos: Terahertz-es technológia alkalmazása a biztonságtechnikában, Hadmérnök, V. Évfolyam 2. szám - 2010. június, 73-85. o.

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Kapcsolódó cikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]