Кіріспе

Диодтың түрі – Гунн диоды, сондай-ақ электрондық құрылғыны (TED) беру деп аталады, бұл диодтың бір түрі, екі терминалды жартылай өткізгіш электрондық компонент, теріс дифференциалдық кедергісі бар және жоғары жиілікті электроникада қолданылады. Оның негізгі қағидасы 1962 жылы физик Дж. Б. Ганн ашқан "Ганн эффектісіне" негізделген. Оның негізгі қолданылуы – микротолқындарды жасау үшін электрондық осцилляторларда, радиолокациялық жылдамдық өлшегіштерде, микротолқындық релелік деректер байланысы таратушыларда және автоматтік есік ашқыштарда қолданылады. Оның ішкі құрылымы басқа диодтардан өзгеше, себебі ол тек N допингталған жартылай өткізгіш материалдан тұрады, ал көптеген диодтар P және N допингталған аймақтардан тұрады. Сондықтан ол екі бағытта да тоқ өткізеді және басқа диодтар сияқты айнымалы токты түзетуге қабілетсіз, сондықтан кейбір дереккөздер "диод" терминін қолданбай, TED терминін қолдануды жөн көреді. Гунн диодында үш аймақ бар: екеуі әр терминалда жоғары N допингталған, ал олардың арасында жұқа, аз N допингталған қабат орналасқан. Құрылғыға кернеу қосылғанда, электр градиенті жұқа ортаңғы қабатта ең жоғары болады. Егер кернеу артса, қабаттың тогы да артады. Бірақ, белгілі бір деңгейден кейін, өріс күші жоғарылағанда ортаңғы қабаттың өткізгіштік қасиеттері өзгереді, кедергісі артып, ток төмендейді. Бұл Гунн диодының ток-кернеу сипаттамалық қисығында теріс дифференциалдық кедергі аймағы бар екенін білдіреді, онда кернеудің артуы ток күшінің төмендеуіне әкеледі. Бұл қасиет оған радиожиілікті күшейткіш ретінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді немесе тұрақсыздыққа ұшырап, тұрақты токпен (DC) қоректенген кезде тербеліске түседі.

Гунн диодты осцилляторлар

Диодтың ең көп қолданылуының себебі – оның теріс дифференциалдық кедергісі және аралық қабаттың уақыт сипаттамалары. Микротолқынды осцилляторды құрылғыны теріс кедергі аймағына қосатын тұрақты ток кернеуін қолдану арқылы жасауға болады. Іс жүзінде, диодтың теріс дифференциалдық кедергісі жүктеме тізбегінің оң кедергісін бейтараптандырады, осылайша нөлдік дифференциалдық кедергіге ие тізбек құрылады, ол өздігінен тербелістерді тудырады. Тербеліс жиілігі ішінара ортаңғы диод қабатының қасиеттерімен анықталады, бірақ сыртқы факторлармен де реттелуі мүмкін. Практикалық осцилляторларда жиілікті басқару үшін толқын жетек, микротолқын қуысы немесе YIG шар түрінде электрондық резонатор көбінесе қосылады. Диод әдетте қуыстың ішіне орнатылады. Диод резонатордың жоғалту кедергісін жояды, осылайша оның резонанстық жиілігінде тербелістер пайда болады. Жиілікті механикалық түрде, қуыстың мөлшерін реттеу арқылы немесе YIG шарларының жағдайында магниттік өрісті өзгерту арқылы реттеуге болады. Ганн диодтары 10 ГГц-тен ТГц-ке дейінгі жиілік диапазонында осцилляторлар жасау үшін қолданылады. Галлий арсенидінен жасалған Ганн диодтары 200 ГГц-қа дейінгі жиіліктерде жасалады, ал галлий нитридтік материалдар 3 терагерцке дейін жете алады.

Тарих

Ганн диоды Ганн эффектісіне негізделген, және екеуі де физик Дж. Б. Ганнның есімімен аталады. 1962 жылы IBM компаниясында ол галлий арсенидіндегі тұрақсыз тәжірибелік нәтижелерді "шу" деп қабылдаудан бас тартып, оның себебін анықтағандықтан бұл эффектіні ашты. Белл Телефон Зертханасының ғалымы Алан Чайноует 1965 жылғы маусымда осы тәжірибелік нәтижелерді түсіндіре алатынын көрсетті, тек электрондық механизм арқылы ғана. Ол анықтаған тербелістер Ридли-Уоткинс-Хилсум теориясымен түсіндірілді, бұл теория британдық физиктер Брайан Ридли, Том Уоткинс және Сирил Хилсумның 1961 жылғы ғылыми жұмыстарында жазылған болатын. Олардың зерттеулеріне сәйкес, жаппай жартылай өткізгіштердің теріс кедергіні көрсетуі мүмкін, яғни, қолданылатын кернеуді арттырғанда ток мөлшері төмендейді. Ганн эффектісі және оның Уоткинс-Ридли-Хилсум эффектісімен байланысы 1970 жылдардың басында электроника әдебиетіне енді, мысалы, электронды құрылғылар және заряд тасымалының сызықты емес толқындық әдістері туралы кітаптарда талданды.

Принцип

Кейбір жартылай өткізгіш материалдардың, соның ішінде галлий арсениді (GaAs) электрондық жолақ құрылымында, жартылай өткізгіш құрылғыларда әдетте қолданылатын валенттік және өткізгіш жолақтардан өзге, қосымша энергия жолағы немесе қосалқы жолағы болады. Бұл үшінші жолақ, қалыпты өткізгіш жолақтан жоғары энергия деңгейінде орналасқан және электрондар оған жылжу үшін энергия алғанға дейін бос күйде болады. Энергия, баллистикалық электрондардың кинетикалық энергиясынан түседі, яғни өткізгіш жолақта қозғалатын, бірақ үшінші жолаққа жетуге жеткілікті кинетикалық энергияға ие электрондардан. Бұл электрондар Ферми деңгейінен төмен басталып, күшті электр өрісін қолдану арқылы қажетті энергияны жинап, ұзақ еркін жолға ие болады, немесе дұрыс энергиясы бар катодтан инъекцияланады. Алға қарайғы кернеу қолданғанда, катодтағы Ферми деңгейі үшінші жолаққа өтеді, ал Ферми деңгейінен басталатын баллистикалық электрондардың шағылысуы, күйлердің тығыздығын сәйкестендіру және шағылысқан толқындардың деструктивті араласуын қамтамасыз ету үшін қосымша интерфейстік қабаттарды пайдалану арқылы азайтылады. GaAs-та үшінші жолақтағы электрондардың тиімді массасы, әдеттегі өткізгіш жолақтағыдан жоғары болғандықтан, олардың қозғалғыштығы немесе дрейф жылдамдығы төмендейді. Алға қарайғы кернеудің артуымен, көбірек электрондар үшінші жолаққа жетеді, олардың қозғалысы баяулап, құрылғы арқылы өтетін ток азаяды. Бұл, кернеу-ток қатынасында теріс дифференциалдық кедергі аймағын құрайды. Диодқа жеткілікті жоғары потенциал қолданғанда, катод бойындағы заряд тасымалдаушылар тығыздығы тұрақсыз болып, катодтың қалған бөлігі жоғары өткізгіштікке ие болатын, төмен өткізгіштікке ие шағын сегменттер пайда болады. Катодтағы кернеудің төмендеуі осы сегментте жүзеге асады, сондықтан ол жоғары электр өрісіне ие болады. Бұл электр өрісінің әсерінен, сегмент катод арқылы анодқа қарай қозғалады. Екі жолақтағы электрон санының теңдестірілуі мүмкін емес, сондықтан жоғары өріс күшіндегі жұқа кесінділер, әрқашан төмен өріс күшіндегі фондық өрісте орналасады. Іс жүзінде, алға қарайғы кернеудің сәл ғана артуымен, катодта төмен өткізгіштікке ие сегмент пайда болады, кедергі артады, сегмент таған бойымен анодқа қарай жылжып, анодқа жеткенде сіңіріледі, ал катодта жаңа сегмент пайда болып, жалпы кернеу тұрақты болады. Кернеу төмендетілгенде және кедергі қайтадан төмендегенде, кез келген сегмент сөндіріледі. Гунн диодтарын өндіруге арналған материалдарды іріктеу үшін қолданылатын зертханалық әдістердің қатарында бұрыштық ажыратымды фотоэмиссиялық спектроскопия бар.

Қолданбалар

Жоғары жиіліктік қабілеттерінің арқасында Ганн диодтары негізінен микротолқынды жиіліктерде және одан жоғары жиіліктерде қолданылады. Олар осы жиіліктерде кез келген жартылай өткізгіш құрылғының ең жоғары шығыс қуатын тудыра алады. Олардың ең көп қолданылатын түрі – осцилляторлар, бірақ олар сигналды күшейту үшін микротолқынды күшейткіштерде де қолданылады. Диод бір портты (екі қосқышты) құрылғы болғандықтан, күшейткіш тізбегі қосарланудың алдын алу үшін шығатын күшейтілген сигналды кіріс сигналдан бөліп тұруы керек. Көп қолданылатын тізбектердің бірі – циркуляторды пайдаланып сигналдарды бөлетін рефлексиялық күшейткіш. Жоғары жиілікті тербелістерден тұрақты токтан бөліп тұру үшін бейас тетігі қажет.

Датчиктер мен өлшеу құралдары

Гунн диодты тербелістер микротолқындық қуатты келесі мақсаттар үшін өндіреді: ұшақтағы соқтығысуды болдырмау радиолокаторы, тежегіш жүйенің құлыпталуына қарсы құрылғылар, көлік қозғалысын бақылау сенсорлары, автомобиль радиолокаторлары, жаяу жүргіншілер қауіпсіздігі жүйелері, "пробегті" тіркеу құрылғылары, қозғалыс детекторы, "төмен жылдамдық" сенсорлары (жаяу жүргіншілер мен көлік қозғалысын 85 км/сағ (50 миль/сағ) дейін анықтау үшін), жол бағдаршамы басқарушылары, автоматты есік ашқыштар, автоматты жол қақпалары, өндіріс процесін бақылау жабдықтары, қарақшылық сигнализациясы және жатқызылғандарды анықтау жабдықтары, пойыздың рельстен шығуына жол бермес сенсорлар, қашықтықтан дірілді анықтағыштар, айналу жылдамдығын өлшегіштер, ылғалдылықты бақылау құрылғылары.

Радио әуесқойлар үшін

Төмен кернеуде жұмыс істеуінің арқасында Гунн диодтары микротолқынды жиілік генераторлары ретінде қолданылуы мүмкін, олар өте төмен қуатты (бірнеше милливаттты) микротолқынды трансиверлерде, атап айтқанда Gunnplexer-лерде қолданылады. Британдық радиолюбительдер оларды алғаш рет 1970 жылдардың соңында пайдаланды, содан бері көптеген Gunnplexer дизайндары журналдарда жарияланды. Олар әдетте диод орнатылған, шамамен 3 дюймдік толқын жетектерінен тұрады. Диодты іске қосу үшін тиісті түрде модуляцияланатын, 12 вольттан төмен төмен кернеулі тұрақты ток көзі қолданылады. Толқын жетектің бір жағы жабылып, резонанстық қуыс құрайды, ал екінші жағы әдетте мүйіз антеннасына қосылады. Толқын жетектеріне қосымша "аралағыш диод" орнатылады, ол көбінесе басқа радиолюбительдердің стансаларын тыңдау үшін өзгертілген FM радио қабылдағышына қосылады. Gunnplexer-лер ең көп 10 ГГц және 24 ГГц жиіліктерінде қолданылады, кейде 22 ГГц қауіпсіздік дабылы өзгертіліп, диодтар лицензияланған радиолюбительдік жиілікке ауысу үшін қарама-қарсы жиектеріне мыс немесе алюминий фольгасы жабылан, сәл бұрыс бағытталған қуысқа орналастырылады. Егер аралағыш диод сақталған болса, ол қолданыстағы толқын жетегінде қайта пайдаланылады, және бұл бөлік өте статикалық сезімталдығымен белгілі. Көптеген коммерциялық құрылғыларда бұл бөлік параллель резистор және басқа компоненттермен қорғалған, ал кейбір Rb атомдық сағаттарында оның модификациясы қолданылады. Гунн диоды тозуға шалдыққан жағдайда да аралағыш диод төмен жиілікті қолданулар үшін пайдалы, ал кейбір радиолюбительдер оны сыртқы осциллятормен немесе n/2 толқын ұзындығындағы Гунн диодымен спутниктерді табу және басқа да мақсаттар үшін қолданады.

Радиоастрономия

Ганн осцилляторлары миллиметрлік және субмиллиметрлік толқындарды қабылдайтын радиоастрономиялық қабылдағыштарда жергілікті осциллятор ретінде қолданылады. Ганн диоды диодың негізгі жиілігінен екі есе жоғары резонансқа келтірілген қуысқа орнатылады. Қуыстың ұзындығы микрометрлік түзету арқылы өзгертіледі. 50%-дық көйлеу диапазонында (бір толқын жетекшісінің ені) 50 мВт-тан астам қуатты тудыра алатын осцилляторлар бар. Субмиллиметрлік толқын қолданулары үшін Ганн осцилляторларының жиілігі диодтық жиілік көбейтушімен көбейтіледі.