دیود گان

دیود گان (Gunn diode) همچنین با نام المان الکترون انتقال ‌یافته (Transferred Electron Device) نوعی دیود نیمه هادی است که دارای دو سر می ‌باشد و مقاومت منفی از خود نشان می ‌دهد. از این دیود در فرکانس ‌های بالا استفاده می ‌شود. این قطعه بر اساس «اثر گان» که توسط جی بی گان فیزیک دان اهل بریتانیا در سال ۱۹۶۲ کشف شد، کار می‌کند. عمده استفاده از این دیود در نوسان سازهای الکترونیکی برای تولید امواج مایکروویو است.

ساختمان داخلی آن بر خلاف سایر دیودها، تنها از نیمه هادی نوع n تشکیل یافته ‌است و به همین علت، جریان را در هر دو جهت هدایت می‌کند و قابلیت یکسوسازی جریان متناوب را ندارد و از این رو بعضی از منابع اصطلاح «دیود گان» را بکار نمی‌برند و بجای آن از اصطلاح «المان الکترون انتقال ‌یافته» استفاده می‌کنند. در دیود گان سه ناحیه نیمه ‌هادی وجود دارد: دو لایه دارای ناخالصی بالا از نوع n که در سمت هر یک از پایه‌ های دیود قرار دارند و ما بین این دو لایه، یک لایه نازک از نیمه هادی نوع n با ناخالصی کم وجود دارد.

هنگامی که ولتاژی در دو سر این دیود قرار می‌گیرد، بخش عمده این ولتاژ بر روی ناحیه نازک میانی با ناخالصی کم، افت می‌کند (چراکه مقاومت الکتریکی این لایه بیشتر از دو لایه دیگر است). اگر ولتاژ افزایش یابد، جریان دیود افزایش می ‌یابد ولی نهایتاً با افزایش بیشتر ولتاژ، هدایت الکتریکی لایه نازک میانی کم تر شده و مقاومت آن افزایش می‌ یابد و باعث کاهش یافتن جریان کل دیود می‌شود. این رفتار به معنای این است که دیود گان دارای یک ناحیه مقاومت منفی در مشخصه جریان- ولتاژ خود است که در این ناحیه، افزایش ولتاژ، باعث کاهش جریان دیود می‌شود. از این مشخصه دیود گان می‌ توان به عنوان تقویت کننده، در تقویت کننده ‌های رادیویی فرکانس بالا یا به عنوان نوسان ساز استفاده کرد.

نوسان سازهای دیود گان

در اصل، وقتی که مقاومت منفی دیود گان در مدار یک نوسان ساز قرار می‌گیرد، با مقاومت‌ های مثبت موجود در مدار اسیلاتور جمع شده و اثر آن‌ ها را خنثی کرده و یک مدار الکتریکی با مقاومت صفر به وجود می ‌آید و باعث می ‌شود مدار به ‌طور خود به خود شروع به نوسان کند (علت اصلی میرا شدن نوسان در اسیلاتورها، تلف شدن انرژی در مقاومت مدار است که با فیدبک مثبت، این تلفات را جبران می‌کنند). در مدار نوسان سازها از یک مدار تشدید برای تعیین فرکانس استفاده می ‌شود که این دیود با خنثی کردن مقاومت مدار تشدید باعث شروع نوسان در فرکانس تشدید می ‌شود. دیودهای گان ساخته شده از گالیم آرسناید توانایی کار در فرکانس ‌های بالا تا ۲۰۰ گیگاهرتز را دارند. دیودهایی که از گالیم نیترید ساخته شده ‌اند تا فرکانس ۳ تراهرتز کاربرد دارند.

چگونگی عملکرد دیود گان

در ساختار نوارهای انرژی برخی از نیمه هادی ها مثل گالیم آرسناید (GaAs)، علاوه بر باند هدایت و باند ظرفیت، یک نوار انرژی دیگری نیز در قسمت لایه هدایت و بالاتر از نوار هدایت اصلی قرار دارد. این نوار، در سطح انرژی بالاتری نسبت به نوار هدایت اصلی قرار دارد و تا زمانی که انرژی کافی برای انتقال الکترون به این نوار وجود نداشته باشد، این نوار خالی از الکترون است. هنگامی که الکترون‌ های موجود در نوار هدایت اصلی، انرژی کافی را دریافت نمایند (مثلاً با افزایش ولتاژ دو سر دیود)، می‌توانند از نوار هدایت اصلی جدا شده و به این نوار منتقل شوند (علت نام گذاری این قطعه به نام المان الکترون انتقال یافته به همین دلیل است). اما در این نوار، سرعت حرکت الکترون نسبت به نوار هدایت اصلی، کم تر است. در نیمه هادی ‌هایی مانند گالیم آرسناید با افزایش ولتاژ دو سر دیود، الکترون‌ های بیشتری از باند هدایت اصلی به این باند (که سرعت الکترون کم تر است) منتقل می‌ شود و در نتیجه باعث کاهش جریان می‌ شود (به علت کم تر شدن سرعت الکترون نسبت به باند هدایت اصلی). همان‌ طور که در منحنی ولتاژ جریان این دیود می ‌بینیم، مقدار حداقل این ولتاژ که موجب انتقال الکترون ‌ها از باند هدایت اصلی می ‌شود، ولتاژ آستانه نام دارد. حال اگر ولتاژ دو سر دیود را باز هم از مقدار آستانه بیش تر کنیم، این نوار نیز پر از الکترون شده و اشباع می ‌شود و باعث ثابت ماندن جریان دیود در مقدار معینی می‌گردد. مشاهده می ‌شود که در ابتدا با افزایش تدریجی ولتاژ، جریان دیود افزایش می ‌یابد اما در لحظه ‌ای که مقدار ولتاژ به مقدار آستانه رسید، افزایش ولتاژ سبب کاهش جریان دیود می ‌شود (به علت انتقال الکترون‌ها به نوار کم سرعت) که این حالت موجب پیدایش مقاومت منفی می ‌شود.

کاربرد دیود گان

به دلیل قابلیت بالای دیود گان برای کارکرد در فرکانس ‌های مایکروویو، می ‌تواند بیش ترین توان خروجی را در مقایسه با سایر ادوات نیمه هادی در این رنج فرکانسی داشته باشند. کاربرد رایج این دیود ها در اسیلاتور ها می باشد. همچنین در تقویت کننده های مایکروویو به منظور تقویت سیگنال ها مورد استفاده قرار می گیرند. از جمله کاربردهای دیودهای گان می توان به استفاده از آن ها در سنسورها و ابزارهای اندازه گیری اشاره کرد.