Gunn-dióda

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

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

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. Több lehetséges magyarázattal sietett is a jelenséget publikálni, azonban egyik elmélete sem állta meg a helyét.

Herbert Krömer 1964-ben rámutatott, 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.

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

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

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. Hasonló 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 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

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

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 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. 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. A keletkezett egyre erősödő rezgések amplitúdójának a betáplált energia és a környezet szab határt.

• 
  3. ábra: Magára hagyott rezgőkör hullámalakja
• 
  4. ábra: Harmonikus rezgőmozgás
• 
  5. ábra: Túlgerjesztett rezgőkör

Előnyei

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

Hátrányai

• 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.
• 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.

Alkalmazása

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)

Magyarországi helyzetkép

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

További információk

• Dr. Berceli et al.: Gunn- és IMPATT diódás oszcillátorok
• Nobel-díj információs technológiáért
• Dr. Gyúró Imre et al.: Mikrohullámú célra történő gőzfázisú GaAs epitaxiális növesztés az MTA MFKI-ban
• Fundamentals of Gunn Diodes
• Gunn Diode
• Gunn Diode Operation
• Gunn Oscillator Circuits
• The Gunn Effect
• Ahmad Bayat: Design and implementation of X band Gunn diode oscillator, International Journal of Modern Engineering Research (IJMER) Vol.2, Issue.5, Sep-Oct. 2012, 3908-3911. o., ISSN [https://portal.issn.org/resource/ISSN/2249-6645 2249-6645]
• Robert van Zyl et al.: The Gunn-diode: Fundamentals and Fabrication
• Simone Montanari: Fabrication and characterization of planar Gunn diodes for Monolithic Microwave Integrated Circuits., ISBN 9783893363964
• Arno Förster: Fabrication and Characterisation of GaAs Gunn Diode Chips for Applications at 77 GHz in Automotive Industry

Kapcsolódó cikkek

• Dióda
• Félvezető
• Gallium-arzenid
• Negatív ellenállás
• Székely Vladimír