Diodo Gunn: Historia, Conceptos, Ventajas y Desventajas

Los diodos de Gunn han estado disponibles durante muchos años y forman un método muy eficaz de generar señales de microondas en cualquier lugar desde alrededor de 1 GHz hasta frecuencias de posiblemente 100 GHz.

Los diodos de Gunn Son conocidos como Piezas de electrones transferidos, TED. Aunque se denomina diodo, los dispositivos no poseen una unión PN. En su lugar, el dispositivo utiliza un efecto conocido como el efecto Gunn (llamado así por el descubridor, J B Gunn).

Aunque el diodo Gunn se utiliza normalmente para generar señales de radiofrecuencia de microondas, el diodo Gunn también puede utilizarse para un amplificador en lo que puede conocerse como un amplificador de electrones transferidos o TEA.

Como los diodos de Gunn son fáciles de usar, forman un método de coste relativamente bajo para generar señales de RF de microondas, a menudo se montan dentro de una guía de ondas para formar una simple cavidad resonante.

Diodo Gunn: Historia, Conceptos básicos, Ventajas y Desventajas

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    Historia del diodo de Gunn

    El diodo Gunn recibe su nombre de un investigador de IBM que en 1962 se le atribuye haber sido la primera persona en notar el efecto.

    El mecanismo detrás del efecto del electrón transferido fue publicado por primera vez por Ridley y Watkins en un artículo en 1961. Otros trabajos fueron publicados por Hilsum en 1962, y luego en 1963 por John Battiscombe. J. B. Gunn observó independientemente la primera oscilación de electrones transferidos utilizando Arseniuro de Galio, semiconductor de GaAs.

    Los diodos de Gunn proporcionan un método fácil y útil de generar señales de microondas. Simplemente marcando el paso del diodo de Gunn en una cavidad resonante de guía de ondas y aplicando un voltaje al diodo, es capaz de generar la señal.

    El símbolo del diodo de Gunn

    Hay una variedad de símbolos de diodos de Gunn que se pueden ver usados en los diagramas de circuitos. Posiblemente el símbolo de diodo de Gunn más utilizado utiliza dos triángulos rellenos con puntos que se tocan se utiliza como se muestra a continuación.

    El símbolo del diodo de Gunn

    Conceptos básicos de los diodos de Gunn

    El diodo de Gunn es un componente único - aunque se llama diodo, no contiene una unión de diodos PN. El diodo de Gunn o dispositivo de electrones transferidos puede ser llamado diodo porque tiene dos electrodos.

    El funcionamiento de un diodo de Gunn depende de que tiene una resistencia negativa controlada por voltaje, lo cual depende del hecho de que cuando se coloca un voltaje a través del dispositivo, la mayor parte del voltaje aparece a través de la región activa interior. Esta región interna es particularmente delgada y esto significa que el gradiente de voltaje que existe en esta región es excesivamente alto.

    El dispositivo exhibe una región de resistencia negativa en su curva V/I como se ve a continuación. Esta zona de resistencia negativa permite al diodo de Gunn amplificar las señales, lo que permite utilizarlo en amplificadores y osciladores. Sin embargo es el diodo de Gunn osciladores son los más utilizados.

    Conceptos básicos de los diodos de Gunn

    Esta región de resistencia negativa significa que el flujo de corriente en el diodo aumenta en la región de resistencia negativa cuando el voltaje cae - el efecto inverso al normal en cualquier otro elemento de resistencia positiva. Esta inversión de fase permite al diodo de Gunn actuar como amplificador y como oscilador.

    Cómo un diodo de Gunn actúa como un oscilador

    Aunque el diodo de Gunn tiene una región de resistencia negativa, es interesante ver un poco más sobre cómo sucede esto y cómo actúa como un oscilador.

    Las frecuencias de microondas, se encuentra que la acción dinámica del diodo incorpora elementos resultantes del grosor de la región activa.

    Cuando el voltaje a lo largo de la zona activa alcanza un cierto punto, una corriente es iniciada y viaja a lo largo de la zona activa. Durante el tiempo que el pulso de corriente se mueve atravesando la zona activa el gradiente de potencial cae impidiendo que se formen más pulsos. Solo cuando el pulso ha alcanzado el lado más alejado de la región activa, se eleva el gradiente potencial, lo que permite que se cree el siguiente pulso.

    Puede verse que el tiempo que tarda el pulso de corriente en atravesar la región activa determina en gran medida la velocidad a la que se generan los pulsos de corriente. Esto es lo que determina la frecuencia de funcionamiento.

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    Para ver cómo ocurre esto, es necesario mirar la concentración de electrones a través de la región activa. En condiciones normales, la concentración de electrones libres sería la misma independientemente de la distancia a través de la región activa del diodo. Sin embargo, puede producirse una pequeña perturbación como resultado del ruido del flujo de corriente, o incluso del ruido externo - esta forma de ruido siempre estará presente y actúa como la semilla de la oscilación. Esta crece a medida que pasa a través de la región activa del diodo de Gunn.

    El aumento de electrones libres en una zona hace que los electrones libres de otra zona disminuyan formando una forma de onda.

    El pico atravesará el diodo bajo la acción del potencial a través del diodo, y crece a medida que atraviesa el diodo como resultado de la resistencia negativa.

    Una pista de la razón de esta acción inusual puede verse si las curvas de voltaje y corriente se trazan para un diodo normal y un diodo de Gunn. Para un diodo normal la corriente aumenta con el voltaje, aunque la relación no es lineal. Por otro lado, la corriente para un diodo de Gunn comienza a aumentar, y una vez que se ha alcanzado un cierto voltaje, comienza a disminuir antes de volver a subir. La región donde cae se conoce como una región de resistencia negativa, y esta es la razón por la que oscila.

    La construcción del diodo de Gunn

    El diodos de Gunn se fabrican a partir de una sola pieza de semiconductor tipo N. Los materiales más comunes son el Arseniuro de galio, GaAs y el Fosfuro de Indio, InP. Sin embargo, se han utilizado otros materiales como Ge, CdTe, InAs, InSb, ZnSe y otros. El dispositivo es simplemente una barra de tipo n con n+ contactos. Es necesario utilizar un material de tipo n porque el efecto de los electrones transferidos sólo es aplicable a los electrones y no a los agujeros que se encuentran en un material de tipo p.

    Dentro del dispositivo hay tres áreas principales, que pueden denominarse aproximadamente las áreas superior, media e inferior.

    El método más común para fabricar un diodo de Gunn es crecer y epitaxializar una capa sobre un sustrato degenerado n+. La región activa tiene un espesor de entre unas pocas micras y unos pocos cientos de micras. Esta capa activa tiene un nivel de dopaje entre 1014cm-3 y 1016cm-3 - esto es considerablemente menor que el utilizado para las áreas superior e inferior del dispositivo. El grosor variará según la frecuencia requerida.

    La capa superior n+ puede ser depositada epitaxialmente o dopada usando la implantación de iones. Tanto la zona superior como la inferior del dispositivo están fuertemente dopadas para dar material n+. Esto proporciona las áreas de alta conductividad necesarias para las conexiones con el dispositivo.

    Los dispositivos normalmente se montan en una base conductora a la que se hace una conexión de cable. La base también actúa como un disipador de calor, lo cual es crítico para la eliminación del calor. La conexión con el otro terminal del diodo se realiza a través de una conexión de oro depositada en la superficie superior. El oro es necesario debido a su relativa estabilidad y alta conductividad.

    Durante la fabricación hay una serie de requisitos obligatorios para que los dispositivos tengan éxito - el material debe estar libre de defectos y también debe tener un nivel de dopaje muy uniforme.

    Ventajas y desventajas del diodo de Gunn

    Como cualquier forma de componente, el diodo de Gunn tiene una serie de ventajas y desventajas que deben ser consideradas cuando se buscan componentes adecuados para un diseño de circuito particular.

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    Ventajas del diodo de Gunn

    • Amplio ancho de banda
    • Alta fiabilidad
    • Bajo costo de fabricación
    • Rendimiento de ruido justo (no utiliza el principio de avalancha).
    • Voltaje de funcionamiento relativamente bajo

    Desventajas del diodo de Gunn

    • Baja eficiencia por debajo de unos 10 GHz
    • Estabilidad pobre - la frecuencia varía con el sesgo y la temperatura
    • Ruido de FM alto para algunas aplicaciones
    • Pequeño rango de sintonía

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