
【电】 Gunn diode
pleasant; sweet; willingly
【医】 gluco-; glyco-
favour; grace; kindness
diode
【化】 diode
甘恩二极管(Gunn Diode),是一种基于甘恩效应(Gunn Effect)工作的半导体器件,属于转移电子器件(Transferred Electron Device, TED)的一种。它能够在微波频段(通常在1 GHz至100 GHz以上)产生高频振荡,无需传统二极管所需的PN结结构。
物理机制(甘恩效应):
在特定的半导体材料(主要是n型砷化镓)中,当施加的直流电场超过一个临界阈值(约3 kV/cm)时,导带中的电子会从高迁移率、低能量的能谷转移到低迁移率、高能量的能谷。这种转移导致电子平均迁移率下降,电流随电压增加而减小,呈现出负微分电阻(Negative Differential Resistance, NDR)特性。这种负阻效应是器件产生微波振荡的基础。其电流-电压关系满足:
$$ frac{dJ}{dV} < 0 $$ 其中 ( J ) 为电流密度,( V ) 为电压。
振荡产生:
负微分电阻区域使得器件内部电场分布不均匀,形成高场畴(Domain)。畴在阴极形成,向阳极渡越,到达阳极后消失,随后新畴在阴极重新形成。畴的周期性形成、渡越和消失过程,导致外电路电流周期性变化,从而产生微波频率的交流信号。振荡频率 ( f ) 主要由畴的渡越时间 ( tau ) 决定:
$$ f approx frac{1}{tau} = frac{v_d}{L} $$ 其中 ( v_d ) 为畴渡越速度(约10⁷ cm/s),( L ) 为有源区长度。
甘恩二极管(Gunn diode)是一种基于特殊半导体效应的微波器件,其名称源自英文“Gunn diode”的音译。以下是详细解释:
结构与材料
甘恩二极管由N型砷化镓(GaAs)半导体材料制成。与其他二极管不同,它没有传统PN结结构,而是依赖材料的整体特性实现功能。
工作原理(Gunn效应)
当外加电压超过临界值时,电子的运动能量会被砷化镓的晶体结构吸收,导致电子速度降低。此时在负电极附近形成高电场区域,并周期性产生、移动和消失,从而产生微波振荡。
主要应用
主要用于高频微波振荡器,覆盖频率范围为5 GHz至50 GHz,常见于雷达、通信系统及微波测试设备中。
与普通二极管的区别
普通二极管(如硅/锗二极管)基于PN结的单向导电性,用于整流或开关;而甘恩二极管通过体材料效应产生微波,无需PN结结构。
总结来看,甘恩二极管的核心特性是通过半导体材料本身的物理效应实现高频振荡,而非传统二极管的整流功能。
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