岡恩二極管是用于以簡(jiǎn)單和低成本的方式產(chǎn)生低功率微波信號(hào)的半導(dǎo)體器件。這些已經(jīng)使用了60多年。岡恩二極管可以在從幾千兆赫茲到超過(guò) 100 GHz 的頻率范圍內(nèi)工作。它最初是由IBM的J. B. Gunn在1960年代初發(fā)現(xiàn)的。

如今，Gunn二極管已廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用，包括微波數(shù)據(jù)線、低功率FM和CW雷達(dá)、入侵者防盜報(bào)警器等。在穩(wěn)定的溫度和電壓參數(shù)下，使用這些二極管的電路可以產(chǎn)生15 mW至1 W的功率，并具有低噪聲和出色的頻率穩(wěn)定性。槍二極管特別受到發(fā)燒友的喜愛(ài)，用于工作頻率為 10 GHz 的業(yè)余無(wú)線電。

建設(shè)

Gunn二極管由單片N型硅制成。這分為三個(gè)主要部分，如圖所示。1.

該器件的頂部和底部區(qū)域包括經(jīng)過(guò)廣泛摻雜的 N+ 材料，因此與外部參數(shù)接口具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性。

電線連接連接到安裝設(shè)備的導(dǎo)電底座上。設(shè)備的底座還用作散熱器以吸收多余的熱量。

在頂部表面上放置一個(gè)金線，該鏈路與二極管的相對(duì)端子連接。為了確保出色的導(dǎo)電性和相對(duì)穩(wěn)定性，黃金變得至關(guān)重要。

該器件的有源區(qū)域位于中間，摻雜較少，電導(dǎo)率較低。這通常約為每立方厘米0.5歐姆，這表明施加在器件上的幾乎所有電壓都通過(guò)二極管的這一層。

二極管有源層的平均厚度為10微米（0.001厘米）。其厚度明顯因二極管而異，因?yàn)檫@主要影響二極管的整體工作。這意味著該器件的工作頻率是其數(shù)據(jù)手冊(cè)的關(guān)鍵要素。

Gunn二極管具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗耆蒒型材料制成，沒(méi)有P-N結(jié)。從本質(zhì)上講，它不是傳統(tǒng)類型的二極管，而是基于完全不同的原理工作。

岡恩二極管的工作原理

雖然Gunn二極管的工作看起來(lái)很復(fù)雜，但有可能在基本層面上理解它。

器件的有源中心區(qū)域承受施加電壓產(chǎn)生的大部分電位。這個(gè)區(qū)域非常薄，即使是一點(diǎn)點(diǎn)電壓偏移，在一定距離內(nèi)也顯示出明顯的潛在梯度或電壓波動(dòng)。

如圖所示。2，當(dāng)施加的電壓達(dá)到特定水平時(shí)，電流脈沖開(kāi)始流過(guò)有源區(qū)。

結(jié)果，有源區(qū)域的其余電位梯度降低，從而停止產(chǎn)生額外的電流脈沖。只有在電流脈沖越過(guò)有源區(qū)的另一端后，高電位梯度才會(huì)返回，從而允許產(chǎn)生另一個(gè)電流脈沖。

如果繪制出電壓和電流曲線，則可以從不同的角度看到特殊的電流脈沖活動(dòng)。

整流二極管和岡恩二極管的區(qū)別

傳統(tǒng)整流二極管和Gunn二極管的曲線如上圖3所示。

傳統(tǒng)整流二極管的電流隨電壓增加而增加，但這種關(guān)系并不總是線性的。

另一方面，Gunn二極管的電流開(kāi)始上升，在達(dá)到特定電壓后，開(kāi)始下降，然后再次增加。

它的振蕩特性是由它下降的這個(gè)區(qū)域引起的，該區(qū)域被稱為“負(fù)電阻”區(qū)域。

設(shè)置頻率

盡管有源區(qū)域的厚度決定了一般工作頻率，但在特定范圍內(nèi)改變頻率仍然是可行的。由于Gunn二極管是一種微波器件，因此通常安裝在波導(dǎo)腔中以產(chǎn)生調(diào)諧電路。其工作頻率由整個(gè)組件的諧振頻率決定。

調(diào)優(yōu)過(guò)程可以通過(guò)多種方法完成。通過(guò)將可調(diào)螺釘插入波導(dǎo)腔，可以進(jìn)行機(jī)械更改，從而實(shí)現(xiàn)基本的調(diào)諧指示器。

然而，電調(diào)諧通常也是必要的，可以使用兩種不同的方法之一。第一種方法是將變?nèi)荻O管耦合到Gunn振蕩器電路中。

當(dāng)變?nèi)荻O管上的電壓發(fā)生變化時(shí)，電容會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整個(gè)電路諧振的頻率發(fā)生變化。

雖然這種方法便宜且易于使用，但它有很多缺點(diǎn)。首先，它的工作范圍有限。其次，這種技術(shù)會(huì)產(chǎn)生大量的相位噪聲，這可能不適合許多應(yīng)用。

使用 YIG 進(jìn)行有效的頻率調(diào)整

使用 YIG 材料似乎是一種更有效的調(diào)諧技術(shù)。它包含釔鐵石榴石，一種鐵磁性物質(zhì)。

當(dāng)Gunn二極管和YIG插入腔體時(shí)，腔體的有效尺寸減小。為此，在波導(dǎo)外部放置了一個(gè)線圈。

當(dāng)電流流過(guò)線圈時(shí)，它具有擴(kuò)大YIG的磁體積并收縮腔體電氣尺寸的作用。結(jié)果，操作頻率上升。YIG調(diào)諧可顯著降低相位噪聲，并可實(shí)現(xiàn)較大的頻率范圍。

將Gunnplexer用于業(yè)余無(wú)線電

Gunn二極管振蕩器是Advanced Receiver Research為業(yè)余無(wú)線電使用提供的商用收發(fā)器的組件。該設(shè)備被稱為“Gunnplexer”，用于在 2 米 （144 MHz） 或其他較低的中頻 （IF） 上產(chǎn)生和下轉(zhuǎn)換標(biāo)稱業(yè)余信號(hào)從 10 GHz 到業(yè)余頻段。

Gunnplexer由連接到高增益矩形喇叭天線的Gunn二極管和封裝在10 GHz腔內(nèi)的肖特基混頻二極管組成。

使用變?nèi)荻O管調(diào)諧可以實(shí)現(xiàn)與正常諧振頻率相比高達(dá)60 MHz的頻率變化。Gunn二極管既可用作發(fā)射器，也可用作下變頻2米中頻的本地振蕩器。
審核編輯：陳陳