Diodo Gunn: Tutorial de Diodo de Micro-Ondas.
O diodo Gunn forma um método fácil de gerar sinais de micro-ondas usando um único elemento de diodo.
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O tutorial sobre Diodo Gunn inclui
Noções básicas de diodo laser
Tutorial de Diodo Inclui:
Tipos de diodos | Especificações e classificações de diodos
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Os diodos Gunn estão disponíveis há muitos anos e constituem um método muito eficaz de geração de sinais de micro-ondas em qualquer lugar, a partir de cerca de 1 GHz até frequências de possivelmente 100 GHz.
Os diodos Gunn também são conhecidos como dispositivos de elétrons transferidos, TED. Embora seja referido como um diodo, o dispositivo não possui uma junção PN. Em vez disso, o dispositivo utiliza um efeito conhecido como efeito Gunn (nomeado em homenagem ao descobridor, J B Gunn).
Embora o diodo Gunn seja normalmente usado para gerar sinais de RF de micro-ondas, o diodo Gunn também pode ser usado como amplificador em um que pode ser conhecido como amplificador de elétrons transferidos ou TEA.
Como os diodos Gunn são fáceis de usar, eles formam um método relativamente de baixo custo para a geração de sinais de RF de micro-ondas, muitas vezes sendo montados dentro de uma guia de onda para formar uma cavidade ressonante simples.
Diodo Gunn: Símbolo
Há uma variedade de símbolos de diodo Gunn que podem ser vistos usados em diagramas de circuitos. Possivelmente, o símbolo de diodo Gunn mais amplamente utilizado usa dois triângulos preenchidos com pontos de contato, conforme mostrado abaixo.
Diodo Gunn: Os conceitos básicos
O diodo Gunn é um componente único – embora seja chamado de diodo, não contém uma junção de diodo PN. O diodo Gunn ou dispositivo de elétrons transferidos pode ser chamado de diodo porque possui dois eletrodos.
A operação do diodo Gunn depende do fato de que ele possui uma resistência negativa controlada por tensão – isso depende do fato de que quando uma tensão é aplicada ao dispositivo, a maior parte da tensão aparece na região ativa interna. Essa região interna é particularmente fina, o que significa que o gradiente de tensão existente nessa região é extremamente alto.
O dispositivo apresenta uma região de resistência negativa em sua curva V / I, como visto abaixo. Essa área de resistência negativa permite que o diodo Gunn amplifique sinais, permitindo que seja usado em amplificadores e osciladores. No entanto, são os osciladores de diodo Gunn que são mais comumente usados.
Essa região de resistência negativa significa que o fluxo de corrente no diodo aumenta na região de resistência negativa quando a tensão cai – o inverso do efeito normal em qualquer outro elemento de resistência positiva. Essa inversão de fase permite que o diodo Gunn atue como um amplificador e como um oscilador.
Como um diodo Gunn atua como um oscilador
Embora o Diodo Gunn apresente uma região de resistência negativa, é interessante entender um pouco mais sobre como isso ocorre e como ele atua como um oscilador.
Em frequências de micro-ondas, a ação dinâmica do diodo é afetada pela espessura da região ativa.
Quando a tensão através da região ativa atinge um determinado ponto, é iniciada uma corrente que percorre a região ativa. Durante o tempo em que o pulso de corrente se move pela região ativa, o gradiente de potencial cai, impedindo a formação de novos pulsos. Somente quando o pulso atinge o outro lado da região ativa, o gradiente de potencial aumentará, permitindo que o próximo pulso seja criado.
O tempo necessário para o pulso de corrente percorrer a região ativa determina em grande parte a taxa na qual os pulsos de corrente são gerados. Isso determina a frequência de operação do diodo Gunn.
Para entender como isso ocorre, é necessário observar a concentração de elétrons em toda a região ativa. Em condições normais, a concentração de elétrons livres seria a mesma independentemente da distância através da região ativa do diodo. No entanto, um pequeno distúrbio pode ocorrer como resultado do ruído do fluxo de corrente ou até mesmo do ruído externo – esse tipo de ruído estará sempre presente e age como semente para a oscilação. Isso cresce à medida que atravessa a região ativa do diodo Gunn.
O aumento de elétrons livres em uma área faz com que a concentração de elétrons livres em outra área diminua, formando uma forma de onda. O pico atravessa o diodo sob a ação do potencial e cresce à medida que atravessa o diodo como resultado da resistência negativa.
Uma pista para entender essa ação incomum pode ser vista se as curvas de tensão e corrente forem plotadas para um diodo normal e um diodo Gunn. Para um diodo normal, a corrente aumenta com a tensão, embora a relação não seja linear. Por outro lado, a corrente para um diodo Gunn começa a aumentar e, uma vez que uma determinada tensão foi atingida, começa a cair antes de subir novamente. A região onde cai é conhecida como região de resistência negativa, e é por isso que o diodo Gunn oscila.
Diodo Gunn: Contrução
Os Diodos Gunn são fabricados a partir de uma única peça de semicondutor do tipo n. Os materiais mais comuns são Arseneto de Gálio, GaAs e Fosfeto de Índio, InP. No entanto, outros materiais, incluindo Ge, CdTe, InAs, InSb, ZnSe e outros, também foram utilizados. O dispositivo consiste simplesmente em uma barra do tipo n com contatos n+. É necessário usar material do tipo n porque o efeito de elétrons transferidos só se aplica a elétrons e não a lacunas encontradas em um material do tipo p.
Dentro do dispositivo, existem três áreas principais, que podem ser denominadas aproximadamente como áreas superior, média e inferior.
O método mais comum de fabricação de um Diodo Gunn é o crescimento de uma camada epitaxial em um substrato n+ degenerado. A região ativa tem entre alguns mícrons e algumas centenas de mícrons de espessura. Essa camada ativa tem um nível de dopagem entre 1014cm-3 e 1016cm-3 – consideravelmente menor do que o utilizado para as áreas superior e inferior do dispositivo. A espessura varia de acordo com a frequência desejada.
A camada superior n+ pode ser depositada epitaxialmente ou dopada usando implantação iônica. Tanto as áreas superior quanto as inferiores do dispositivo são fortemente dopadas para fornecer material n+. Isso fornece as áreas de alta condutividade necessárias para as conexões ao dispositivo.
Os dispositivos são normalmente montados em uma base condutora à qual é feita uma conexão com fio. A base também atua como dissipador de calor, o que é crítico para a remoção de calor. A conexão com o outro terminal do diodo é feita por meio de uma conexão de ouro depositada na superfície superior. O ouro é necessário devido à sua estabilidade relativa e alta condutividade.
Durante a fabricação, há vários requisitos obrigatórios para que os dispositivos sejam bem-sucedidos – o material deve ser livre de defeitos e também deve ter um nível de dopagem muito uniforme.
Diodo Gunn: Vantagens e Desvantagens
Os Diodos Gunn têm vantagens e desvantagens que precisam ser consideradas ao escolher componentes para projetos de circuitos com alta frequência.
| Vantagens do Diodo Gunn | Desvantagens do Diodo Gunn |
|---|---|
| Alto largura de banda | Baixa eficiência abaixo de cerca de 10 GHz |
| Alta confiabilidade | Pouca estabilidade – a frequência varia com o viés e a temperatura |
| Baixo custo de fabricação | Alto ruído FM para algumas aplicações |
| Desempenho de ruído razoável (não utiliza o princípio avalanche). | Pequena faixa de ajuste |
| Tensão de operação relativamente baixa |
História do diodo Gunn
O Diodo Gunn recebe seu nome de um pesquisador da IBM que, em 1962, é creditado por ter sido a primeira pessoa a notar o efeito.
O mecanismo por trás do efeito do elétron transferido foi publicado pela primeira vez por Ridley e Watkins em um artigo em 1961. Mais trabalhos foram publicados por Hilsum em 1962 e, em 1963, John Battiscombe. J.B. Gunn observou independentemente a primeira oscilação de elétron transferido usando o semicondutor de Arsênio de Gálio, GaAs.
Os Diodos Gunn fornecem um método fácil e útil para gerar sinais de micro-ondas. Basta colocar o Diodo Gunn em uma cavidade ressonante de guia de onda e aplicar uma tensão ao diodo para que ele seja capaz de gerar o sinal.
Diodo Gunn: Aplicações
O Diodo Gunn tem diversas aplicações devido à sua capacidade de gerar sinais de micro-ondas de forma eficiente e relativamente simples. Abaixo estão algumas das principais aplicações do Diodo Gunn:
- Osciladores de micro-ondas: A principal aplicação do Diodo Gunn é na geração de sinais de micro-ondas em osciladores. Quando um sinal de tensão é aplicado ao Diodo Gunn em uma cavidade ressonante de guia de onda, ele começa a gerar sinais de micro-ondas devido ao efeito de elétron transferido. Esses sinais podem ser usados em diversas aplicações, desde telecomunicações até radares.
- Amplificadores de micro-ondas: Embora não seja tão comum quanto a sua aplicação em osciladores, o Diodo Gunn também pode ser usado como um amplificador de micro-ondas em um circuito conhecido como amplificador de elétron transferido ou TEA. O circuito usa o efeito de elétron transferido para amplificar sinais de micro-ondas.
- Detecção de micro-ondas: O Diodo Gunn também pode ser usado como um detector de micro-ondas em aplicações de radar ou comunicações. O sinal de micro-ondas é aplicado ao Diodo Gunn e a saída do dispositivo é medida. Qualquer mudança na saída indica a presença do sinal de micro-ondas.
- Medição de velocidade: Em algumas aplicações, o Diodo Gunn é usado em um radar Doppler para medir a velocidade de objetos em movimento. O sinal de micro-ondas é refletido pelo objeto em movimento e a mudança de frequência do sinal é medida pelo Diodo Gunn. Isso permite a medição da velocidade do objeto em movimento.
- Instrumentação de micro-ondas: Finalmente, o Diodo Gunn é usado na construção de instrumentos de micro-ondas, como osciloscópios, medidores de potência e medidores de frequência. Esses instrumentos são essenciais na medição e análise de sinais de micro-ondas em diversas aplicações.
Em resumo, o Diodo Gunn tem diversas aplicações em geração, amplificação, detecção e medição de sinais de micro-ondas. Além disso, é usado na construção de instrumentos de micro-ondas, tornando-se uma peça fundamental na tecnologia de micro-ondas.
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