Los diodos Gunn son dispositivos semiconductores que se utilizan para generar señales de microondas de baja potencia de forma sencilla y económica. Estos han estado en uso durante más de 60 años. Los diodos Gunn pueden funcionar con frecuencias que van desde unos pocos gigahercios hasta más de 100 GHz. Fue descubierto por primera vez por J. B. Gunn de IBM a principios de la década de 1960.
Hoy en día, los diodos Gunn se utilizan comercialmente en una amplia gama de aplicaciones, incluidas líneas de datos de microondas, radar FM y CW de baja potencia, alarmas antirrobo, etc. Bajo parámetros estables de temperatura y voltaje, los circuitos que usan estos diodos pueden generar de 15 mW a 1 vatio de potencia y tienen bajo nivel de ruido y excelente estabilidad de frecuencia. Los diodos de pistola son especialmente apreciados por los entusiastas para su uso en radios de aficionados que funcionan a 10 GHz.
Construcción
Un diodo Gunn se fabrica a partir de una sola pieza de silicio tipo N. Esto se divide en tres secciones principales, como se ve en la Fig. 1.
Las regiones superior e inferior del dispositivo incluyen material N+ que ha sido extensamente dopado, lo que resulta en una fuerte conductividad para interactuar con los parámetros externos.
Se adjunta una conexión de cable a la base conductora en la que está instalado el dispositivo. La base del dispositivo también sirve como disipador de calor para absorber el exceso de calor.
Se coloca un enlace dorado en la superficie superior que se conecta con la terminal opuesta del diodo. Para garantizar una conductividad excepcional y una estabilidad relativa, el oro se vuelve esencial.
La región activa del dispositivo está situada en el medio, que está menos dopada y tiene una conductividad más baja. Esto es generalmente alrededor de 0,5 ohmios por centímetro cúbico, lo que indica que casi todo el voltaje aplicado a través del dispositivo pasa a través de esta capa del diodo.
El grosor medio de la capa activa del diodo es de diez micras (0,001 cm). Obviamente, su grosor diferiría de un diodo a otro porque esto afecta principalmente el funcionamiento general del diodo. Esto implica que la frecuencia de funcionamiento de este dispositivo es un elemento crítico de su hoja de datos.
El diodo Gunn tiene un diseño único porque está hecho completamente de material tipo N y no tiene una unión P-N. En esencia, no es un tipo convencional de diodo, sino que funciona con principios completamente diferentes.
Cómo funciona un diodo Gunn
Aunque el funcionamiento de un diodo Gunn puede parecer complejo, es posible comprenderlo en un nivel fundamental.
La región central activa del dispositivo está sujeta a la mayor parte del potencial creado por un voltaje aplicado. Esta región es extremadamente delgada e incluso un pequeño cambio de voltaje muestra un gradiente de potencial significativo o una fluctuación de voltaje en una cierta distancia.
Como se ilustra en la Fig. 2, un pulso de corriente comienza a fluir a través de la zona activa cuando el voltaje aplicado alcanza un nivel específico.
Como resultado, el gradiente de potencial del resto de la región activa disminuye, lo que detiene la generación de pulsos de corriente adicionales. Solo después de que el pulso de corriente cruza al extremo opuesto de la zona activa, regresa el gradiente de alto potencial, lo que permite la generación de otro pulso de corriente.
Si se traza la curva de voltaje y corriente, es posible ver la peculiar actividad del pulso de corriente desde un ángulo diferente.
Diferencia entre un diodo rectificador y un diodo Gunn
- Las curvas de un diodo rectificador convencional y un diodo Gunn se representan en el diagrama de la Figura 3 anterior.
- La corriente de un diodo rectificador convencional aumenta con el voltaje; sin embargo, esta relación no siempre es lineal.
- Por otro lado, la corriente de un diodo Gunn comienza a aumentar y, después de alcanzar un voltaje específico, comienza a disminuir antes de aumentar nuevamente.
- Sus propiedades de oscilación son causadas por esta región donde cae, que se conoce como una región de 'resistencia negativa'.
Configuración de la frecuencia
Aunque el espesor de la región activa determina la frecuencia operativa general, aún es factible cambiar la frecuencia en un rango específico. Dado que el diodo de Gunn es un dispositivo de microondas, normalmente se instala en una cavidad de guía de ondas para generar un circuito sintonizado. Su frecuencia de operación está determinada por la frecuencia de resonancia de todo el conjunto.
El proceso de ajuste se puede lograr en una variedad de métodos. Al insertar un tornillo ajustable en la cavidad de la guía de ondas, se pueden realizar cambios mecánicos, lo que permite un indicador de sintonización básico.
Sin embargo, también suele ser necesaria la sintonización eléctrica, y se podría utilizar uno de dos métodos diferentes. El primer método consiste en acoplar un diodo varactor en el circuito oscilador de Gunn.
Cuando se cambia el voltaje en el diodo varactor, la capacitancia cambia, lo que hace que cambie la frecuencia a la que resuena todo el circuito.
Aunque este enfoque es económico y fácil de usar, tiene muchos inconvenientes. En primer lugar, tiene un rango operativo limitado. En segundo lugar, esta técnica produce mucho ruido de fase, lo que podría no ser apropiado para muchas aplicaciones.
Uso de YIG para un ajuste de frecuencia efectivo
Usar un material YIG parece ser una técnica de afinación más efectiva. Este incorpora Itrio Hierro Granate, una sustancia ferromagnética.
Cuando el diodo Gunn y el YIG se insertan en la cavidad, el tamaño efectivo de la cavidad disminuye. Para ello, se coloca una bobina fuera de la guía de ondas.
Cuando una corriente fluye a través de la bobina, tiene el efecto de expandir el volumen magnético del YIG y contraer la dimensión eléctrica de la cavidad. Como resultado, la frecuencia de operación aumenta. El ruido de fase se reduce significativamente con la sintonización YIG y se puede lograr un amplio rango de frecuencia.
Uso de Gunnplexer para radioaficionados
El oscilador de diodo Gunn es un componente de un transceptor comercial ofrecido por Advanced Receiver Research para uso de radioaficionados. El dispositivo, denominado 'Gunnplexer', se utiliza para producir y convertir señales de aficionados nominales de 10 GHz a la banda de aficionados en 2 metros (144 MHz) u otras frecuencias intermedias más bajas (IF).
El Gunnplexer consta de un diodo Gunn conectado a una antena de bocina rectangular de alta ganancia junto con diodos mezcladores Schottky encerrados dentro de una cavidad de 10 GHz.
Se pueden lograr variaciones de frecuencia de hasta 60 MHz de la frecuencia de resonancia normal utilizando la sintonización de varactor. El diodo Gunn funciona como transmisor y como oscilador local para la FI de 2 metros convertida hacia abajo.
