Was ist eine Gunndiode?
Eine Gunndiode ist eine Art von Diode, die in Oszillatoren im Mikrowellenbereich verwendet wird.
Es handelt sich um eine Diode, die den Gunneffekt nutzt. Hauptsächlich wird Galliumarsenid vom Typ N (GaAs) verwendet. Der Physiker J.B. Gunn entdeckte, dass ein elektrisches Gleichfeld, das an einen GaAs-Kristall angelegt wird und einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, zu Schwingungen im Mikrowellenbereich führt. Aus diesem Grund ist dieses Phänomen als Gunneffekt bekannt.
Gunndioden haben einen Bereich mit negativem Widerstand und dieser Effekt wird in Mikrowellenoszillatoren genutzt. Der negative Widerstand bezieht sich dabei auf die elektrische Eigenschaft, dass der Strom mit steigender Spannung abnimmt.
Anwendungen von Gunndioden
Gunndioden werden im Mikrowellenbereich häufig für Oszillator-Radaranwendungen verwendet, die den Gunneffekt nutzen.
Wenn eine Gunndiode in einem Hohlraum oder Hohlleiter montiert ist und eine Gleichspannung angelegt wird, schwingt sie mit einer von der Dicke des Kristalls abhängigen Eigenschwingung. Der Aufbau ist relativ einfach, aber die Frequenzstabilität ist nicht so gut wie bei normalen Mikrowellen-Steuerungssystemen, die von einem VCO oder PLL gesteuert werden, weshalb sie neben der Telekommunikation häufig für Geschwindigkeitssensoren verwendet wird, die den Dopplereffekt nutzen.
Bekannte Anwendungen sind z. B. Geschwindigkeitsmessgeräte für Baseball und Radar für die Geschwindigkeitsüberwachung.
Funktionsweise von Gunndioden
Die Gunndiode nutzt das Phänomen der Mikrowellenbandschwingung, das auftritt, wenn Elektronen einen schnellen Übergang zum Band mit dem höheren Energieniveau vollziehen, wenn in einem Halbleiterkristall mit zwei Energiebändern eine Spannung oberhalb des kritischen elektrischen Feldes angelegt wird. Wenn ein Energiediagramm gezeichnet wird, hat es zwei Leitungsbänder mit unterschiedlichen unteren Energien und Wellenzahlen.
Wenn eine Spannung angelegt wird, fließt ein elektrischer Strom, und die für diesen Strom verantwortlichen Elektronen befinden sich im Leitungsband. Normalerweise befinden sich mehr Elektronen im unteren Leitungsband mit niedrigerer Energie und mit zunehmender Spannung sind auch Elektronen im Leitungsband mit höherer Energie vorhanden. Wenn eine bestimmte Spannung überschritten wird, wandern die Elektronen aus dem Leitungsband mit niedrigerem Niveau in das Leitungsband mit höherem Niveau, was zu einer Abnahme der Mobilität führt.
Dieses Phänomen führt dazu, dass die scheinbare Beweglichkeit der Elektronen, d. h. der Stromwert, abnimmt, wenn die Spannung über eine bestimmte Spannung hinaus erhöht wird und hat somit die Eigenschaft eines negativen Widerstands. Wird die Spannung weiter erhöht, werden die Elektronen aus dem Leitungsband mit niedrigerem Niveau in das Leitungsband mit höherem Niveau überführt und der Strom steigt wieder an.
An diesem Punkt kommt es zu einem lawinenartigen, schnellen Elektronentransfer im Mikrowellenband, was zu dem Phänomen der Oszillation führt. Während allgemeine VCOs (spannungsgesteuerte Oszillatoren) einen negativen Widerstand verwenden, der die Impedanzanpassung von Transistoren ausnutzt, machen sich Gunndioden die inhärenten Energiebänder von Halbleiterkristallen zunutze.
Weitere Informationen zu Gunndioden
1. Verwendung in Geschwindigkeitssensoren
Typische Anwendungen von Gunndioden in Geschwindigkeitssensoren nutzen im Allgemeinen das als Doppler-Effekt bekannte physikalische Phänomen. Der Doppler-Effekt ist das Prinzip, dass die reflektierte Welle einer elektromagnetischen Welle, die auf ein sich mit hoher Geschwindigkeit bewegendes Objekt eingestrahlt wird, mit einer anderen scheinbaren Frequenz als der ursprünglichen Frequenz der Einstrahlung beobachtet wird.
Die Frequenz einer Gunndiode in einem GaAs-Kristall beträgt etwa 10 GHz und die Geschwindigkeit des bestrahlten Objekts wird aus dem Unterschied in der Frequenzvariation berechnet. Diese Differenz in der Frequenzschwankung wird übrigens physikalisch als „Surren“ beschrieben und die Schwankung im Verhältnis zu einer Frequenz von 10 GHz ist ein sehr kleiner Bruchteil der Frequenz einer Baseball-Geschwindigkeitskanone oder eines 100-km-Tachometers zur Messung der Geschwindigkeit eines Autos.
2. Erweiterung auf Sub-Terahertz-Frequenzen
Gunndioden und ähnliche Impaddioden sowie resonante Tunneldioden stehen derzeit im Mittelpunkt des Interesses von Forschungsinstituten als Forschungsmaterialien für Frequenzoszillatoren für Sub-THz. Mit der Anwendung von Sub-THz-Frequenzen in der Beyond 5G/6G- und optischen Kommunikation werden relativ einfache Sub-THz Frequenz elektromagnetische Wellen daher als Zwei-Terminal-Geräte erforscht und entwickelt, die in der Lage sind, elektromagnetische Wellen mit Sub-Terahertz-Frequenz mit relativer Einfachheit zu erzeugen.