diodo Gunn

Un diodo Gunn , también conocido como dispositivo de transferencia de electrones ( TED ), es un tipo de diodo , un componente electrónico semiconductor de dos terminales con resistencia diferencial negativa , utilizado en electrónica de alta frecuencia . Se basa en el "efecto Gunn", descubierto en 1962 por el físico JB Gunn . Sus principales aplicaciones son en osciladores electrónicos para generar microondas , en dispositivos como radares de velocidad , transmisores de enlace de datos por microondas y abridores automáticos de puertas.

Su construcción interna difiere de la de otros diodos, ya que consta únicamente de material semiconductor dopado con tipo N , mientras que la mayoría de los diodos constan de regiones dopadas con tipo P y N. Por lo tanto, conduce en ambas direcciones y no puede rectificar corriente alterna como otros diodos, razón por la cual algunas fuentes no utilizan el término diodo , sino que prefieren TED. En el diodo Gunn existen tres regiones: dos fuertemente dopadas con tipo N en cada terminal, con una fina capa de material ligeramente dopado con tipo N entre ellas. Cuando se aplica un voltaje al dispositivo, el gradiente eléctrico será mayor en la fina capa intermedia. Si el voltaje aumenta, la corriente de la capa aumentará primero. Sin embargo, a valores de campo más altos, las propiedades conductoras de la capa intermedia se modifican, aumentando su resistividad y provocando una disminución de la corriente. Esto significa que un diodo Gunn tiene una región de resistencia diferencial negativa en su curva característica corriente-voltaje , en la que un aumento del voltaje aplicado provoca una disminución de la corriente. Esta propiedad le permite amplificar , funcionando como un amplificador de radiofrecuencia, o volverse inestable y oscilar cuando se le aplica una tensión continua.

La resistencia diferencial negativa, combinada con las propiedades de temporización de la capa intermedia, es responsable del principal uso del diodo: en osciladores electrónicos a frecuencias de microondas y superiores. Un oscilador de microondas se puede crear simplemente aplicando una tensión continua para polarizar el dispositivo en su región de resistencia negativa. En efecto, la resistencia diferencial negativa del diodo cancela la resistencia positiva del circuito de carga, creando así un circuito con resistencia diferencial cero, que producirá oscilaciones espontáneas. La frecuencia de oscilación está determinada en parte por las propiedades de la capa intermedia del diodo, pero puede ajustarse mediante factores externos. En los osciladores prácticos, se suele añadir un resonador electrónico para controlar la frecuencia, en forma de guía de ondas , cavidad de microondas o esfera de YIG . El diodo se suele montar dentro de la cavidad. El diodo cancela la resistencia de pérdida del resonador, produciendo oscilaciones a su frecuencia de resonancia . La frecuencia puede ajustarse mecánicamente, modificando el tamaño de la cavidad, o, en el caso de las esferas de YIG, cambiando el campo magnético . Los diodos Gunn se utilizan para construir osciladores en el rango de frecuencia de 10 GHz a THz .

Los diodos Gunn de arseniuro de galio están hechos para frecuencias de hasta 200  GHz, los materiales de nitruro de galio pueden alcanzar hasta 3 terahercios . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

El diodo Gunn se basa en el efecto Gunn, y ambos reciben su nombre del físico JB Gunn . En IBM , en 1962, descubrió el efecto porque se negó a aceptar los resultados experimentales inconsistentes en arseniuro de galio como "ruido", y determinó la causa. Alan Chynoweth de Bell Telephone Laboratories demostró en junio de 1965 que solo un mecanismo de electrones transferidos podía explicar los resultados experimentales. ^{[ 3 ]} Se comprendió que las oscilaciones que detectó se explicaban mediante la teoría de Ridley-Watkins-Hilsum , que recibe su nombre de los físicos británicos Brian Ridley , Tom Watkins y Cyril Hilsum, quienes en artículos científicos en 1961 demostraron que los semiconductores masivos podían mostrar resistencia negativa , lo que significa que aumentar el voltaje aplicado hace que la corriente disminuya .

El efecto Gunn y su relación con el efecto Watkins-Ridley-Hilsum entraron en la literatura electrónica a principios de la década de 1970, por ejemplo, en libros sobre dispositivos de transferencia de electrones ^{[ 4 ]} y, más recientemente, sobre métodos de ondas no lineales para el transporte de carga. ^{[ 5 ]}

La estructura de bandas electrónicas de algunos materiales semiconductores , incluido el arseniuro de galio (GaAs), presenta una banda o subbanda de energía adicional a las bandas de valencia y conducción que definen un material semiconductor y que se aprovecha para el diseño de dispositivos semiconductores . Esta tercera banda (podría haber más) se encuentra a mayor energía que la banda de conducción normal y, por lo general, está vacía a temperatura ambiente hasta que se le suministra energía para promover electrones hacia ella. La energía proviene de la energía cinética de los electrones balísticos , es decir, electrones en la banda de conducción que se mueven con suficiente energía cinética como para alcanzar la banda superior. Esta energía cinética adicional suele ser proporcionada por un campo eléctrico aplicado externamente al dispositivo.

Estos electrones parten de un nivel inferior al de Fermi y, mediante la aplicación de un campo eléctrico intenso, se les proporciona un recorrido libre medio suficientemente largo para adquirir la energía necesaria, o bien son inyectados por un cátodo con la energía adecuada. Al aplicar un voltaje directo, el nivel de Fermi en el cátodo se desplaza hacia la tercera banda, y las reflexiones de los electrones balísticos que parten de las proximidades del nivel de Fermi se minimizan ajustando la densidad de estados y utilizando las capas de interfaz adicionales para permitir que las ondas reflejadas interfieran destructivamente.

En el arseniuro de galio (GaAs), la masa efectiva de los electrones en la tercera banda es mayor que la de los electrones en la banda de conducción habitual, por lo que su movilidad o velocidad de deriva es menor. A medida que aumenta la tensión directa, más electrones alcanzan la banda de mayor energía, lo que provoca que se muevan más lentamente (aunque tengan mayor energía) y que la corriente que circula por el dispositivo disminuya. Esto crea una región de resistencia diferencial negativa en la relación tensión/corriente.

Cuando se aplica un potencial suficientemente alto al diodo, la densidad de portadores de carga a lo largo del cátodo se vuelve inestable y se desarrollan pequeños segmentos de baja conductividad, mientras que el resto del cátodo presenta alta conductividad. La mayor parte de la caída de voltaje del cátodo se produce a través del segmento, lo que genera un campo eléctrico intenso. Bajo la influencia de este campo, el segmento se desplaza a lo largo del cátodo hacia el ánodo. Es imposible equilibrar la población en ambas bandas, por lo que siempre existirán segmentos delgados de alta intensidad de campo en un fondo de baja intensidad. En la práctica, con un ligero aumento del voltaje directo, se crea un segmento de baja conductividad en el cátodo, la resistencia aumenta, el segmento se desplaza a lo largo de la barra hacia el ánodo y, al llegar a este, es absorbido, creándose un nuevo segmento en el cátodo para mantener constante el voltaje total. Cualquier segmento existente se extingue si se reduce el voltaje y la resistencia vuelve a disminuir.

En este contexto, los electrones balísticos —aquellos que viajan con una dispersión mínima— desempeñan un papel crucial. Pueden moverse a través del semiconductor con un largo recorrido libre medio, adquiriendo así la energía necesaria para transitar a estados de energía superiores.

Los métodos de laboratorio utilizados para seleccionar los materiales para la fabricación de diodos Gunn incluyen la espectroscopia de fotoemisión resuelta angularmente .

Debido a su alta capacidad de frecuencia, los diodos Gunn se utilizan principalmente en frecuencias de microondas y superiores. Pueden producir algunas de las mayores potencias de salida de cualquier dispositivo semiconductor en estas frecuencias. Su uso más común es en osciladores , pero también se utilizan en amplificadores de microondas para amplificar señales. Dado que el diodo es un dispositivo de un puerto (dos terminales), un circuito amplificador debe separar la señal amplificada de salida de la señal de entrada para evitar el acoplamiento. Un circuito común es un amplificador de reflexión que separa las señales mediante un circulador . Se necesita un divisor de polarización para aislar la corriente de polarización de las oscilaciones de alta frecuencia.