ガンダイオードは、低電力のマイクロ波信号を簡単かつ低コストで生成するために使用される半導体デバイスです。これらは現在60年以上使用されています。ガンダイオードは、数ギガヘルツから 100 GHz 以上の範囲の周波数で動作します。 1960 年代初頭に IBM の J. B. Gunn によって最初に発見されました。

今日、ガンダイオードは、マイクロ波データライン、低電力 FM および CW レーダー、侵入者盗難警報などを含む幅広いアプリケーションで商業的に使用されています。安定した温度および電圧パラメータの下で、これらのダイオードを使用する回路は 15 mW 1 ワットの電力で、低ノイズと優れた周波数安定性を備えています。ガンダイオードは、10 GHz で動作するアマチュア無線で使用する愛好家に特に好まれています。

工事

ガンダイオードは、N 型シリコンの単一片から製造されます。これは、図 1 に示すように、3 つの主要なセクションに分かれています。

デバイスの上部領域と下部領域には、広範囲にドープされた N+ 材料が含まれているため、外部パラメータとのインターフェース用に強い導電性が得られます。

“ダミーのための回路構築pdf ”

ワイヤ接続は、デバイスが取り付けられている導電ベースに取り付けられています。デバイスのベースは、余分な熱を吸収するためのヒートシンクとしても機能します。

ダイオードの反対側の端子に接続する上面に金のリンクが配置されています。優れた導電率と相対的な安定性を確保するには、金が不可欠になります。

デバイスのアクティブ領域は中央に位置し、ドープ量が少なく、導電率が低くなります。これは通常、立方センチメートルあたり約 0.5 オームであり、デバイスに印加される電圧のほとんどすべてがダイオードのこの層を通過することを示しています。

ダイオードの活性層の平均厚さは 10 ミクロン (0.001 cm) です。その厚さは、主にダイオードの全体的な動作に影響を与えるため、ダイオードごとに明らかに異なります。これは、このデバイスの動作周波数がデータシートの重要な要素であることを意味します。

ガンダイオードは、全体が N 型材料で構成されており、PN 接合がないため、独自の設計になっています。本質的に、それは従来のタイプのダイオードではなく、まったく異なる原理で機能します。

ガンダイオードの仕組み

ガンダイオードの動作は複雑に見えるかもしれませんが、基本的なレベルで理解することは可能かもしれません。

デバイスのアクティブな中央領域は、印加電圧によって生成される電位の大部分にさらされます。この領域は非常に薄く、わずかな電圧シフトでも、一定の距離にわたって大きな電位勾配または電圧変動を示します。

図 2 に示すように、印加電圧が特定のレベルに達すると、アクティブゾーンに電流パルスが流れ始めます。

その結果、アクティブ領域の残りの電位勾配が減少し、追加の電流パルスの生成が停止します。電流パルスがアクティブゾーンの反対側の端に交差した後にのみ、高電位勾配が戻り、別の電流パルスの生成が可能になります。

電圧と電流の曲線をプロットすると、特異な電流パルスの活動を別の角度から見ることができます。

“バンドリジェクトフィルター伝達関数 ”

整流ダイオードとガンダイオードの違い

従来の整流ダイオードとガンダイオードの曲線は、上の図 3 の図に示されています。
従来の整流ダイオードの電流は電圧とともに増加しますが、この関係は常に直線的ではありません。
一方、ガンダイオードの電流は上昇し始め、特定の電圧に達した後、再び上昇する前に下降し始めます。
その振動特性は、「負の抵抗」領域と呼ばれるこの領域によって引き起こされます。

周波数の設定

アクティブ領域の厚さによって一般的な動作周波数が決まりますが、特定の範囲で周波数を変更することは可能です。ガンダイオードはマイクロ波デバイスであるため、通常、同調回路を生成するために導波管キャビティに取り付けられます。その動作周波数は、アセンブリ全体の共振周波数によって決まります。

チューニングプロセスは、さまざまな方法で実行できます。調整ネジを導波管キャビティに挿入することにより、機械的な変更を行うことができ、基本的なチューニングインジケーターが有効になります。

それにもかかわらず、通常は電気的な調整も必要であり、2 つの異なる方法のいずれかを使用できます。最初の方法は、バラクタダイオードをガン発振回路に結合することです。

バラクタダイオードの電圧が変化すると、静電容量が変化し、回路全体が共振する周波数が変化します。

このアプローチは安価で使いやすいですが、多くの欠点があります。まず、動作範囲が限られています。第 2 に、この手法では大量の位相ノイズが発生するため、多くのアプリケーションには適していない可能性があります。

効果的な周波数調整のための YIG の使用

YIG マテリアルを使用すると、より効果的なチューニング手法のようです。強磁性体であるイットリウム鉄ガーネットを配合。

ガンダイオードと YIG がキャビティに挿入されると、キャビティの有効サイズが減少します。これを行うために、コイルが導波管の外側に配置されます。

“pn接合ダイオードとは ”

コイルに電流が流れると、YIG の磁気ボリュームが拡大し、キャビティの電気的寸法が縮小する効果があります。その結果、操作頻度が上がります。 YIG チューニングにより位相ノイズが大幅に低減され、広い周波数範囲を実現できます。

アマチュア無線に Gunnplexer を使用する

ガンダイオード発振器は、Advanced Receiver Research がアマチュア無線用に提供している商用トランシーバのコンポーネントです。「ガンプレクサー」と呼ばれるこのデバイスは、公称アマチュア信号を生成し、10 GHz から 2 メートル (144 MHz) のアマチュアバンド、またはその他のより低い中間周波数 (IF) にダウンコンバートするために使用されます。

Gunnplexer は、10 GHz キャビティ内に封入されたショットキーミキサーダイオードと共に、高ゲインの長方形ホーンアンテナに取り付けられた Gunn ダイオードで構成されています。

バラクター調整を使用して、通常の共振周波数から最大 60 MHz の周波数変動を実現できます。ガンダイオードは、ダウンコンバートされた 2 メートル IF のトランスミッタとローカルオシレータの両方として動作します。