bélyegkép|jobbra|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,http://iopscience.iop.org/0370-1328/78/2/315/ Ridley - Watkins: The Possibility of Negative Resistance Effects in Semiconductors, 1961, Proceedings of the Physical Society majd 1962-ben Hilsum is hasonló következtetésre jutott,http://www.scribd.com/doc/85076429/Gunn-Diode Gunn Diode Syed Muhammad Zaidi: The Gunn Diode 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,http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0038109863900413 J. B. Gunn: Microwave Oscillation of Current in III-V Semiconductors, 1963 azonban egyik elmélete sem állta meg a helyét.

Herbert Krömer 1964-ben rámutatott,http://www.ece.ucsb.edu/faculty/Kroemer/pubs/4_64GunnEffect.pdf H. Kroemer: Theory of the Gunn effect 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 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: bélyegkép|jobbra|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 beállításaVagyis a Gunn-diódára kapcsolt egyenfeszültség a 2. ábra görbéjének eső szakaszára kerüljön. 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 meredekhttp://www.microsemi.com%2Fdocument-portal%2Fdoc_download%2F9677-msc-gunn-diodes-cath-hs-pdf Microsemi adatlap, 4. o.

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 lesznekIlyen hullámforma a vízbe ejtett kisebb kavics körül alakul ki. Érvényes, hogy Ha a rezgőkörrel megfelelő időközökben folyamatosan energiát közlünk (a veszteségeit külső forrásból pótoljuk), akkor a 4. ábra szerinti harmonikus rezgőmozgást kapjuk.Folyamatosan meglökött hinta esete. Ebben az esetben Ha a rezgőkörrel több energiát közlünk, mint amennyi a rezgés fenntartásához szükséges, akkor egyre növekvő amplitúdójú rezgéseket kapunk (5. ábra). Érvényes, hogy

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.Valójában nem az ohmikus ellenállásokat (rezisztenciákat), hanem az adott frekvencián létrejövő impedanciákat kellene figyelembe venni, de ez az elv megértése szempontjából mellékes. A keletkezett egyre erősödő rezgések amplitúdójának a betáplált energia és a környezet szab határt.

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.gunn.winterwolf.co.uk/reports/final Michaell Gaskill et al.: High Power Gunn Diode Oscillators, 2004

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)<ref>http://spie.org/x36521.xml?ArticleID=x36521 Mohamed Missous et al.: Advanced step-graded Gunn diode for millimeter-wave imaging applications</ref>

Magyarországi helyzetkép Magyarországon az 1970-es évek óta kiterjedt kutatás folyik, mind a Gunn-diódák gyártástechnológiája, mind pedig alkalmazás terén.http://hadmernok.hu/2010_2_bunyitai.pdf Bunyitai Ákos: Terahertz-es technológia alkalmazása a biztonságtechnikában, Hadmérnök, V. Évfolyam 2. szám - 2010. június, 73-85. o.

Jegyzetek

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., 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.'', 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

Kategória:Félvezető eszközök