Diodo Gunn: Funcionamiento, características y aplicaciones

Un diodo es un componente electrónico semiconductor de dos terminales que presenta características no lineales de corriente-tensión. Permite el paso de la corriente en una dirección en la que su resistencia es muy baja (casi nula) durante la polarización hacia delante. Del mismo modo, en la otra dirección, no permite el flujo de corriente, ya que ofrece una resistencia muy alta (la resistencia infinita actúa como circuito abierto) durante la polarización inversa.

Los diodos se clasifican en diferentes tipos en función de sus principios de funcionamiento y características. Entre ellos están el diodo genérico, el diodo Schotty, el diodo Shockley, el diodo de corriente constante, el diodo Zener, el diodo emisor de luz, el fotodiodo, el diodo túnel, el varactor, el tubo de vacío, el diodo láser, el diodo PIN, el diodo Peltier y el diodo Gunn, entre otros. En un caso especial, este artículo trata sobre el funcionamiento, las características y las aplicaciones del diodo Gunn.

¿Qué es un diodo Gunn?

Un diodo de Gunn se considera un tipo de diodo aunque no contenga ninguna unión típica de diodo PN como los demás diodos, sino que está formado por dos electrodos. Este diodo también se denomina Dispositivo Electrónico Transferido. Este diodo es un dispositivo de resistencia diferencial negativa, que se utiliza frecuentemente como oscilador de baja potencia para generar microondas. Está formado únicamente por un semiconductor de tipo N en el que los electrones son los portadores de carga mayoritarios. Para generar ondas de radio cortas, como las microondas, utiliza el efecto Gunn.

La región central que se muestra en la figura es una región activa, que está debidamente dopada con GaAs de tipo N y capa epitaxial con un grosor de unos 8 a 10 micrómetros. La región activa está intercalada entre las dos regiones que tienen los contactos óhmicos. Se proporciona un disipador de calor para evitar el sobrecalentamiento y el fallo prematuro del diodo y para mantener los límites térmicos.

Para la construcción de estos diodos, sólo se utiliza material de tipo N, lo que se debe al efecto de electrones transferidos aplicable sólo a los materiales de tipo N y no es aplicable a los materiales de tipo P. La frecuencia se puede variar variando el grosor de la capa activa al dopar.

Efecto Gunn

Fue inventado por John Battiscombe Gunn en la década de 1960; tras sus experimentos con GaAs (Arseniuro de Galio), observó un ruido en los resultados de sus experimentos y lo atribuyó a la generación de oscilaciones eléctricas en frecuencias de microondas por un campo eléctrico constante con una magnitud superior al valor umbral. Se denominó Efecto Gunn por haber sido descubierto por John Battiscombe Gunn.

El efecto Gunn puede definirse como la generación de potencia de microondas (potencia con frecuencias de microondas de unos pocos GHz) siempre que la tensión aplicada a un dispositivo semiconductor supere el valor de tensión crítica o valor de tensión umbral.

Oscilador de diodo Gunn

Los diodos de Gunn se utilizan para construir osciladores para generar microondas con frecuencias que van de 10 GHz a THz. Se trata de un dispositivo de Resistencia Diferencial Negativa -también llamado oscilador de dispositivo de electrones transferidos- que es un circuito sintonizado formado por un diodo Gunn al que se le aplica una tensión de polarización de corriente continua. Esto se denomina polarización del diodo en la región de resistencia negativa.

Debido a esto, la resistencia diferencial total del circuito se hace cero, ya que la resistencia negativa del diodo se anula con la resistencia positiva del circuito, lo que da lugar a la generación de oscilaciones.

Funcionamiento del diodo Gunn

Este diodo está hecho de una sola pieza de semiconductor de tipo N, como el arseniuro de galio y el InP (fosfuro de indio). El GaAs y algunos otros materiales semiconductores tienen una banda extraenergética en su estructura de banda electrónica, en lugar de tener sólo dos bandas de energía, a saber, la banda de valencia y la banda de conducción, como los materiales semiconductores normales. El GaA y otros materiales semiconductores constan de tres bandas de energía, y esta tercera banda adicional está vacía en la fase inicial.

Si se aplica una tensión a este dispositivo, la mayor parte de la tensión aplicada aparece a través de la región activa. Los electrones de la banda de conducción que tienen una resistividad eléctrica insignificante se transfieren a la tercera banda porque estos electrones son dispersados por la tensión aplicada. La tercera banda del GaAs tiene una movilidad inferior a la de la banda de conducción.

Debido a esto, un aumento de la tensión de avance aumenta la intensidad de campo (para las intensidades de campo en las que la tensión aplicada es mayor que el valor de la tensión umbral), entonces el número de electrones que alcanzan el estado en el que la masa efectiva aumenta disminuyendo su velocidad, y por tanto, la corriente disminuirá.

Por lo tanto, si se aumenta la intensidad de campo, la velocidad de deriva disminuirá; esto crea una región de resistencia incremental negativa en la relación V-I. Así pues, el aumento de la tensión incrementará la resistencia al crear un corte en el cátodo y llega al ánodo. Pero, para mantener una tensión constante, se crea una nueva rodaja en el cátodo. Del mismo modo, si el voltaje disminuye, la resistencia disminuirá extinguiendo cualquier rebanada existente.

Características del diodo Gunn

Las características de la relación corriente-tensión de un diodo Gunn se muestran en el gráfico anterior con su región de resistencia negativa. Estas características son similares a las del diodo túnel.

Como se muestra en el gráfico anterior, inicialmente la corriente empieza a aumentar en este diodo, pero después de alcanzar un determinado nivel de tensión (a un valor de tensión especificado llamado valor de tensión umbral), la corriente disminuye antes de volver a aumentar. La región en la que la corriente disminuye se denomina región de resistencia negativa, y debido a ello oscila. En esta región de resistencia negativa, el diodo actúa como oscilador y como amplificador, ya que en esta región, el diodo está capacitado para amplificar las señales.

Aplicaciones del diodo Gunn

• Se utilizan como osciladores de Gunn para generar frecuencias que van desde 100mW a 5GHz hasta salidas de 1W a 35GHz. Estos osciladores Gunn se utilizan para las radiocomunicaciones y las fuentes de radar militares y comerciales.
• Se utilizan como sensores para detectar a los intrusos y evitar el descarrilamiento de los trenes.
• Utilizados como eficientes generadores de microondas con un rango de frecuencia de hasta cientos de GHz.
• Utilizados para detectores de vibraciones a distancia y tacómetros de medición de la velocidad de rotación.
• Se utiliza como generador de corriente de microondas (generador de diodos Gunn pulsados).
• Se utiliza en transmisores de microondas para generar ondas de radio de microondas a muy baja potencia.
• Se utilizan como componentes de control rápido en microelectrónica, como para la modulación de los láseres de inyección de semiconductores.
• Se utilizan como aplicaciones de ondas submilimétricas multiplicando la frecuencia del oscilador Gunn por la del diodo.
• Otras aplicaciones son los sensores de apertura de puertas, los dispositivos de control de procesos, el funcionamiento de barreras, la protección perimetral, los sistemas de seguridad para peatones, los indicadores de distancia lineal, los sensores de nivel, la medición del contenido de humedad y las alarmas de intrusión.

Esperamos que te hayas hecho una idea del diodo Gunn, las características del diodo Gunn, el efecto Gunn, el oscilador del diodo Gunn y su funcionamiento con aplicaciones en resumen. Para obtener más información sobre los diodos de Gunn, envía tus preguntas comentando a continuación.

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