Qu’est-ce qu’une diode Gunn?
Une diode Gunn est un type de diode utilisé dans les oscillateurs de la bande des micro-ondes.
Il s’agit d’une diode qui utilise l’effet Gunn. Le physicien J.B. Gunn a découvert que, lorsqu’un champ électrique continu est appliqué à un cristal de GaAs et dépasse une certaine valeur seuil, une oscillation se produit dans la région des micro-ondes. C’est pourquoi ce phénomène est connu sous le nom d’effet Gunn.
Les diodes Gunn présentent une région de résistance négative. Cet effet est utilisé dans les oscillateurs à micro-ondes. La résistance négative désigne ici la propriété électrique selon laquelle le courant diminue lorsque la tension augmente.
Utilisations des diodes Gunn
Les diodes Gunn sont couramment utilisées dans la gamme des micro-ondes pour les oscillateurs radar utilisant l’effet Gunn.
Lorsqu’une diode Gunn est montée dans une cavité ou un guide d’ondes et qu’une tension continue est appliquée, elle oscille avec une oscillation intrinsèque dépendant de l’épaisseur du cristal. La structure est relativement simple mais la stabilité de la fréquence n’est pas aussi bonne que celle des systèmes de contrôle à micro-ondes normaux. Ces derniers sont contrôlés par un VCO ou une PLL. Dès lors, elle est souvent utilisée pour les capteurs de vitesse utilisant l’effet Doppler, en plus des télécommunications.
Parmi les utilisations familières, l’on peut citer les pistolets de vitesse pour le baseball et les radars pour le contrôle de la vitesse.
Principe de la diode Gunn
La diode Gunn utilise le phénomène d’oscillation dans la bande des micro-ondes. Il se produit lorsque les électrons subissent une transition rapide vers la bande ayant le niveau d’énergie le plus élevé, lorsqu’une tension supérieure au champ électrique critique est appliquée dans un cristal semi-conducteur à deux bandes d’énergie. Lorsqu’un graphique d’énergie est tracé, il présente deux bandes de conduction avec des énergies de fond et des nombres d’onde différents.
Lorsqu’une tension est appliquée, un courant électrique circule et les électrons responsables de ce courant sont ceux de la bande de conduction. Normalement, il y a plus d’électrons dans la bande de conduction avec une énergie plus faible en bas. Lorsque la tension augmente, des électrons sont également présents dans la bande de conduction avec une énergie plus élevée. Lorsqu’une certaine tension est dépassée, les électrons de la bande de conduction de niveau inférieur se déplacent vers la bande de conduction de niveau supérieur. Cela entraîne une diminution de la mobilité.
Ce phénomène entraîne une diminution de la mobilité apparente des électrons, c’est-à-dire de la valeur du courant, lorsque la tension est augmentée au-delà d’un certain seuil. C’est la caractéristique d’une résistance négative. Si la tension est encore augmentée, les électrons de la bande de conduction inférieure sont transférés vers la bande de conduction supérieure et le courant augmente à nouveau.
À ce stade, une avalanche de transferts d’électrons rapides se produit dans la bande des micro-ondes, entraînant le phénomène d’oscillation. Alors que les VCO (oscillateurs commandés en tension) généraux utilisent une résistance négative qui exploite l’adaptation d’impédance des transistors, les diodes Gunn exploitent les bandes d’énergie inhérentes aux cristaux semi-conducteurs.
Autres informations sur les diodes Gunn
1. Utilisation dans les capteurs de vitesse
Dans les capteurs de vitesse, l’on utilise généralement le phénomène physique connu sous le nom d’effet Doppler : l’onde réfléchie d’une onde électromagnétique irradiée sur un objet se déplaçant à grande vitesse est observée avec un changement de fréquence apparent par rapport à la fréquence originale de l’irradiation.
La fréquence d’une diode Gunn dans un cristal de GaAs est d’environ 10 GHz. La vitesse de l’objet irradié est calculée à partir de la différence de variation de fréquence. Incidemment, cette différence de fluctuation de fréquence est décrite en termes physiques comme un “vrombissement”. La fluctuation relative à une fréquence de 10 GHz est une très petite fraction de la fréquence d’un pistolet de vitesse de baseball ou d’un indicateur de vitesse de 100 km pour mesurer la vitesse d’une voiture.
2. Extension aux fréquences sub-terahertz
Les diodes Gunn et les diodes impad similaires, ainsi que les diodes à effet tunnel résonant, sont actuellement au centre de l’attention des instituts de recherche en tant que matériaux de recherche pour les oscillateurs de fréquence pour le sub-THz. Avec l’application des fréquences sub-THz dans les domaines de la communication optique et au-delà de la 5G/6G, des ondes électromagnétiques à fréquence sub-THz relativement simples sont nécessaires. Elles font donc l’objet de recherches et de développement.