Что такое диод Ганна?

Что такое диод Ганна?

Диод Ганна — это тип диода, используемый в генераторах микроволнового диапазона и других устройствах.

Диоды Ганна — это диоды, использующие эффект Ганна. В основном используется арсенид галлия N-типа (GaAs), и физик Дж. Б. Ганн обнаружил, что когда постоянное электрическое поле прикладывается к кристаллу GaAs и превышает определенное пороговое значение, в микроволновой области возникают колебания. По этой причине это явление называется эффектом Ганна.

Диоды Ганна имеют область отрицательного сопротивления, и этот эффект используется в микроволновых генераторах. Отрицательное сопротивление здесь относится к электрической характеристике, при которой ток уменьшается с ростом напряжения.

Применение диодов Ганна

Диоды Ганна обычно используются в микроволновой области для приложений радаров генераторов, использующих эффект Ганна.

Когда диод Ганна устанавливается в полости или волноводе и подается постоянное напряжение, он колеблется с собственной вибрацией, которая зависит от толщины кристалла. Хотя структура относительно проста, стабильность частоты не так хороша, как у обычного метода управления микроволнами с использованием VCO или PLL, поэтому его часто используют для датчиков скорости, использующих эффект Доплера в дополнение к коммуникациям.

Обычные приложения включают в себя измерители скорости для бейсбола и радары для обеспечения соблюдения скоростного режима.

Принцип диодов Ганна

Диоды Ганна используют явление колебаний микроволнового диапазона, которое происходит, когда электроны быстро переходят в диапазон с более высоким уровнем энергии, когда напряжение, превышающее критическое электрическое поле, прикладывается к полупроводниковому кристаллу с двумя энергетическими диапазонами. Когда нарисован график энергии, он имеет две зоны проводимости с различными нижними энергиями и волновыми числами.

При подаче напряжения течет электрический ток, а электроны, ответственные за этот ток, находятся в зоне проводимости. Обычно больше электронов находится в зоне проводимости с более низкой энергией внизу, и по мере увеличения напряжения больше электронов находится в зоне проводимости с более высокой энергией. При превышении определенного напряжения электроны из зоны проводимости нижнего уровня перемещаются в зону проводимости более высокого уровня, что приводит к снижению подвижности.

Это явление вызывает снижение кажущейся подвижности электронов или тока, когда напряжение увеличивается выше определенного напряжения, и, таким образом, имеет характеристику отрицательного сопротивления. При дальнейшем увеличении напряжения электроны из зоны проводимости нижнего уровня переносятся в зону проводимости более высокого уровня, и ток снова увеличивается.

В этот момент в микроволновом диапазоне происходит лавина быстрого высокоскоростного переноса электронов, что приводит к явлению колебаний. В то время как обычные VCO (генераторы, управляемые напряжением) используют отрицательное сопротивление, которое использует согласование импеданса транзисторов, диоды Ганна хорошо используют присущие им энергетические зоны полупроводниковых кристаллов.

Другая информация о диодах Ганна

1. Применение в датчиках скорости

Датчики скорости, типичное применение диодов Ганна, обычно используют физическое явление, называемое эффектом Доплера. Эффект Доплера — это принцип, согласно которому отраженная волна электромагнитной волны, облученной на объект, движущийся с высокой скоростью, наблюдается на другой кажущейся частоте, чем исходная частота облучения.

Частота диода Ганна в кристалле GaAs составляет около 10 ГГц, а скорость облученного объекта рассчитывается по разнице в изменении частоты. Кстати, эта разница в изменении частоты описывается как «жужжание» в физических терминах, а изменение относительно частоты 10 ГГц составляет очень малый процент для измерений скорости в диапазоне 100 км для бейсбольных пистолетов для измерения скорости и измерений скорости автомобилей.

2. Расширение до субтерагерцовых частот

Диоды Ганна и аналогичные диоды, а также резонансные туннельные диоды в настоящее время находятся в центре внимания научно-исследовательских институтов как исследовательские материалы для генераторов субтерагерцовых частот.