ما هو غان ديود؟ كيف تعمل؟

الثنائيات Gunn هي أجهزة شبه موصلة تُستخدم لتوليد إشارات ميكروويف منخفضة الطاقة بطريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة. لقد تم استخدامها منذ أكثر من 60 عامًا حتى الآن. يمكن أن تعمل الثنائيات Gunn بترددات تتراوح من بضعة جيجاهرتز إلى أكثر من 100 جيجاهرتز. تم اكتشافه لأول مرة بواسطة J.B Gunn من شركة IBM في أوائل الستينيات.

اليوم ، يتم استخدام الثنائيات Gunn تجاريًا في مجموعة واسعة من التطبيقات ، بما في ذلك خطوط بيانات الميكروويف ، ورادار FM و CW منخفض الطاقة ، وأجهزة إنذار ضد السرقة ، وما إلى ذلك. 1 واط من الطاقة ولها ضوضاء منخفضة واستقرار تردد ممتاز. الثنائيات البنادق محبوبة بشكل خاص من قبل المتحمسين لاستخدامها في أجهزة راديو الهواة التي تعمل بتردد 10 جيجاهرتز.

بناء

يتم تصنيع الصمام الثنائي Gunn من قطعة واحدة من السيليكون من النوع N. ينقسم هذا إلى ثلاثة أقسام أولية ، كما هو موضح في الشكل 1.

تشتمل المناطق العلوية والسفلية للجهاز على مادة N + التي تم تخديرها على نطاق واسع ، مما أدى إلى توصيل قوي للتفاعل مع المعلمات الخارجية.

يتم توصيل وصلة سلكية بقاعدة التوصيل التي تم تركيب الجهاز عليها. تعمل قاعدة الجهاز أيضًا كمشتت حراري لامتصاص الحرارة الزائدة.

يتم وضع رابط ذهبي على السطح العلوي الذي يتصل بالطرف المقابل للديود. لضمان توصيل استثنائي واستقرار نسبي ، يصبح الذهب ضروريًا.

تقع المنطقة النشطة للجهاز في الوسط ، وهي أقل مخدرًا على نطاق واسع ولديها توصيل أقل. هذا بشكل عام حوالي 0.5 أوم لكل سنتيمتر مكعب ، مما يشير إلى أن كل الجهد المطبق عبر الجهاز يمر عبر هذه الطبقة من الصمام الثنائي.

يبلغ متوسط ​​سمك الطبقة النشطة للديود عشرة ميكرون (0.001 سم). من الواضح أن سمكه يختلف من ديود إلى آخر لأن هذا يؤثر في المقام الأول على العمل الكلي للديود. هذا يعني أن تردد تشغيل هذا الجهاز هو عنصر حاسم في ورقة البيانات الخاصة به.

يتميز الصمام الثنائي Gunn بتصميم فريد لأنه مصنوع بالكامل من مادة من النوع N ولا يحتوي على تقاطع PN. في جوهرها ، إنه ليس نوعًا تقليديًا من الصمام الثنائي ، بل يعمل وفقًا لمبادئ مختلفة تمامًا.

كيف يعمل غون ديود

على الرغم من أن عمل الصمام الثنائي Gunn قد يبدو معقدًا ، فقد يكون من الممكن فهمه على المستوى الأساسي.

تخضع منطقة المركز النشطة للجهاز لغالبية الإمكانات الناتجة عن الجهد المطبق. هذه المنطقة رفيعة للغاية ، وحتى إنزياحًا بسيطًا للجهد يُظهر تدرجًا محتملاً كبيرًا أو تذبذبًا للجهد على مسافة معينة.

كما هو موضح في الشكل 2 ، تبدأ نبضة تيار في التدفق عبر المنطقة النشطة عندما يصل الجهد المطبق عبرها إلى مستوى معين.

ونتيجة لذلك ، فإن بقية التدرج المحتمل للمنطقة النشطة يتناقص ، مما يوقف توليد نبضات تيار إضافية. فقط بعد أن تعبر النبضة الحالية إلى الطرف المقابل من المنطقة النشطة ، يعود التدرج عالي الإمكانات ، مما يسمح بتوليد نبضة تيار أخرى.

إذا تم رسم منحنى الجهد والتيار ، فمن الممكن رؤية نشاط نبضة التيار الغريب من زاوية مختلفة.

الفرق بين الصمام الثنائي المعدل والصمام الثنائي Gunn

• منحنيات الصمام الثنائي المعدل التقليدي والصمام الثنائي Gunn موضحة في الرسم البياني في الشكل 3 أعلاه.
• يزداد تيار الصمام الثنائي المعدل مع الجهد ، ولكن هذه العلاقة ليست دائمًا خطية.
• من ناحية أخرى ، يبدأ تيار الصمام الثنائي في الارتفاع ، وبعد الوصول إلى جهد معين ، يبدأ في الانخفاض قبل أن يزداد مرة أخرى.
• ترجع خصائص التذبذب إلى هذه المنطقة التي تنخفض فيها ، والتي يشار إليها باسم منطقة 'المقاومة السلبية'.

ضبط التردد

على الرغم من أن سمك المنطقة النشطة يحدد تردد التشغيل العام ، إلا أنه لا يزال من الممكن تغيير التردد عبر نطاق معين. نظرًا لأن الصمام الثنائي Gunn عبارة عن جهاز ميكروويف ، يتم تثبيته عادةً في تجويف موجه الموجة لتوليد دائرة مضبوطة. يتم تحديد تردد التشغيل من خلال تردد الرنين للمجموعة بأكملها.

يمكن إنجاز عملية الضبط بعدة طرق. من خلال إدخال برغي قابل للتعديل في تجويف الدليل الموجي ، يمكن إجراء تغييرات ميكانيكية ، مما يتيح مؤشر ضبط أساسي.

ومع ذلك ، عادةً ما يكون الضبط الكهربائي ضروريًا أيضًا ، ويمكن استخدام إحدى طريقتين مختلفتين. تتضمن الطريقة الأولى اقتران الصمام الثنائي المتغير في دائرة مذبذب Gunn.

عندما يتم تغيير الجهد على الصمام الثنائي المتغير ، تتغير السعة ، مما يتسبب في تغيير التردد الذي ترن فيه الدائرة بأكملها.

على الرغم من أن هذا النهج غير مكلف وسهل الاستخدام ، إلا أن له العديد من العيوب. أولاً ، لديها نطاق تشغيل محدود. ثانيًا ، تنتج هذه التقنية الكثير من ضوضاء الطور ، والتي قد لا تكون مناسبة للعديد من التطبيقات.

استخدام YIG لضبط التردد الفعال

يبدو أن استخدام مادة YIG هو أسلوب ضبط أكثر فعالية. هذا يتضمن الإيتريوم الحديد العقيق ، مادة مغناطيسية.

عندما يتم إدخال الصمام الثنائي Gunn و YIG في التجويف ، يتم تقليل الحجم الفعال للتجويف. يتم وضع ملف خارج الدليل الموجي للقيام بذلك.

عندما يتدفق التيار عبر الملف ، يكون له تأثير على توسيع الحجم المغناطيسي لـ YIG وتقليص البعد الكهربائي للتجويف. نتيجة لذلك ، يرتفع تواتر العملية. يتم تقليل ضوضاء المرحلة بشكل كبير مع ضبط YIG ، ويمكن تحقيق نطاق تردد كبير.

باستخدام Gunnplexer لراديو الهواة

مذبذب غون ديود هو أحد مكونات جهاز الإرسال والاستقبال التجاري الذي يقدمه Advanced Receiver Research لاستخدام هواة الراديو. يستخدم الجهاز ، الذي يشار إليه باسم 'Gunnplexer' ، لإنتاج إشارات الهواة الاسمية وتحويلها من 10 جيجاهرتز إلى نطاق الهواة على 2 متر (144 ميجاهرتز) ، أو غيرها من الترددات المتوسطة الأدنى (IFs).

يتكون Gunnplexer من صمام ثنائي Gunn متصل بهوائي بوق مستطيل عالي الكسب مع ثنائيات خلاط Schottky داخل تجويف 10 جيجاهرتز.

يمكن تحقيق اختلافات التردد التي تصل إلى 60 ميغا هرتز من تردد الرنين العادي باستخدام ضبط فاراكتور. يعمل الصمام الثنائي Gunn كجهاز إرسال ومذبذب محلي لـ IF 2 متر المحول لأسفل.