ガンダイオード

ガンダイオードは転移電子デバイス（TED）とも呼ばれ、高周波電子機器で使用される負性微分抵抗を持つ2端子半導体電子部品であるダイオードの一種です。これは、物理学者JBガンが1962年に発見した「ガン効果」に基づいています。主な用途は、レーダー速度計、マイクロ波リレーデータリンク送信機、自動ドア開閉装置 などのアプリケーションで、マイクロ波を生成する電子発振器です。

その内部構造は、他のダイオードとは異なり、 N ドープ 半導体材料のみで構成されています。一方、ほとんどのダイオードは P ドープ領域と N ドープ領域の両方で構成されています。したがって、両方向に伝導し、他のダイオードのように交流を整流することはできません。そのため、一部の情報源ではダイオードという用語を使用せず、TED という用語を使用しています。ガン ダイオードには 3 つの領域があります。2 つの領域は各端子に N ドープが強く施されており、その間に n ドープ材料の薄い層が薄く施されています。デバイスに電圧が印加されると、薄い中間層全体で電気勾配が最大になります。電圧が増加すると、まず層の電流が増加します。それでも、最終的には、より高い電界値で、中間層の導電特性が変化し、抵抗が増加して電流が減少します。つまり、ガン ダイオードの電流 - 電圧特性曲線には負の微分抵抗の領域があり、印加電圧が増加すると電流が減少します。この特性により、増幅して無線周波数増幅器として機能したり、DC 電圧で バイアスをかけると不安定になって振動したりすることができます。

負性微分抵抗は、中間層のタイミング特性と相まって、ダイオードの最大の用途であるマイクロ波周波数以上の電子発振器に使用されています。マイクロ波発振器は、デバイスを負性抵抗領域にバイアスするDC電圧を印加するだけで作成できます。実際には、ダイオードの負性微分抵抗が負荷回路の正抵抗を打ち消し、微分抵抗がゼロの回路が作成され、自発的な発振が発生します。発振周波数は、中間ダイオード層の特性によって部分的に決まりますが、外部要因によって調整できます。実際の発振器では、周波数を制御するために、通常、導波管、マイクロ波空洞、またはYIG 球の形で電子共振器が追加されます。ダイオードは通常、空洞内に取り付けられます。ダイオードは共振器の損失抵抗を打ち消し、共振周波数で発振します。周波数は、空洞のサイズを調整することによって機械的に調整できます。YIG 球の場合は、磁場を変更することで調整できます。ガンダイオードは、10 GHzからTHzの周波数範囲の発振器を構築するために使用されます。

ガリウムヒ素ガンダイオードは最大200GHzの周波数用に作られており、窒化ガリウム材料は最大3テラヘルツに達することができます。^{[1] [2]}

ガンダイオードはガン効果に基づいており、両方とも物理学者JBガンにちなんで名付けられています。 1962年にIBMで、彼はガリウムヒ素の矛盾した実験結果を「ノイズ」として受け入れることを拒否したためにこの効果を発見し、原因を突き止めました。ベル電話研究所のアラン・チノウェスは、1965年6月に、移動電子メカニズムのみが実験結果を説明できることを示しました。^[3]彼が検出した振動は、イギリスの物理学者ブライアン・リドリー、トム・ワトキンス、シリル・ヒルサムにちなんで名付けられたリドリー・ワトキンス・ヒルサム理論によって説明できることが認識されました。3人は1961年の科学論文で、バルク半導体が負の抵抗を示す可能性があることを示しました。つまり、印加電圧を増やすと電流が減少するということです。

ガン効果とワトキンス・リドリー・ヒルサム効果との関係は、1970年代初頭に電子工学の文献に登場しました。例えば、転移電子デバイスに関する書籍^[4]や、最近では電荷輸送のための非線形波動法に関する書籍^{[5]などです。}

ガリウムヒ素(GaAs) などの一部の半導体材料の電子バンド構造には、半導体材料を定義し、半導体デバイスの設計に利用される価電子帯と伝導帯に加えて、別のエネルギーバンドまたはサブバンドがあります。この 3 番目のバンド (さらに存在する場合もあります) は、通常の伝導帯よりもエネルギーが高く、エネルギーが供給されて電子がそのバンドに到達するまで、通常は室温では空です。エネルギーは弾道電子の運動エネルギーから得られます。弾道電子とは、伝導帯内にあるが、十分な運動エネルギーを持って移動し、より高いバンドに到達できる電子のことです。追加の運動エネルギーは通常、デバイスの外部から適用される電界によって提供されます。

これらの電子はフェルミ準位より下から始まり、強い電界を印加することで必要なエネルギーを得るのに十分な長さの平均自由行程を与えられるか、適切なエネルギーを持つカソードによって注入されます。順方向電圧を印加すると、カソードのフェルミ準位は第 3 バンドに移動し、フェルミ準位付近から始まる弾道電子の反射は、状態密度を一致させ、追加のインターフェース層を使用して反射波を破壊的に干渉させることで最小限に抑えられます。

GaAs では、第 3 バンドの電子の有効質量が通常の伝導バンドの電子よりも高いため、そのバンドの電子の移動度またはドリフト速度は低くなります。順方向電圧が増加すると、より多くの電子がより高いエネルギー バンドに到達できるようになり、電子の移動速度が遅くなり (エネルギーは高いものの)、デバイスを流れる電流が減少します。これにより、電圧と電流の関係に負の微分抵抗領域が生成されます。

ダイオードに十分に高い電位が印加されると、カソードに沿った電荷キャリア密度が不安定になり、導電性の低い小さなセグメントが形成され、カソードの残りの部分は導電性が高くなります。カソード電圧降下のほとんどはセグメント全体で発生するため、セグメントには高い電界が発生します。この電界の影響下で、カソードに沿ってアノードに移動します。両方のバンドの人口をバランスさせることは不可能であるため、高電界強度の薄いスライスは常に低電界強度の背景にあります。そのため、実際には、順方向電圧がわずかに増加すると、カソードに導電性の低いセグメントが作成され、抵抗が増加し、セグメントがバーに沿ってアノードに移動し、アノードに到達すると吸収され、合計電圧を一定に保つためにカソードに新しいセグメントが作成されます。電圧が下げられて抵抗が再び減少すると、既存のスライスは消滅します。

この文脈では、散乱を最小限に抑えて移動する弾道電子が重要な役割を果たします。弾道電子は長い平均自由行程で半導体内を移動し、より高いエネルギー状態への移行に必要なエネルギーを効果的に獲得します。

ガンダイオードの製造に使用する材料を選択するために使用される実験方法には、角度分解光電子分光法が含まれます。

ガンダイオードは高周波能力があるため、主にマイクロ波周波数以上で使用されます。これらの周波数では、あらゆる半導体デバイスの中で最高レベルの出力を生成できます。最も一般的な用途は発振器ですが、マイクロ波増幅器で信号を増幅するために使用されます。ダイオードは1 ポート(2 端子) デバイスであるため、増幅回路は結合を防ぐために増幅された出力信号を入力信号から分離する必要があります。一般的な回路の 1 つは、サーキュレータを使用して信号を分離する反射増幅器です。バイアス電流を高周波振動から分離するには、 バイアス ティーが必要です。

ガンダイオード発振器は、以下の用途のためにマイクロ波電力を生成します。^[6] 航空機衝突回避レーダー、アンチロックブレーキ、交通の流れを監視するセンサー、自動車レーダー探知機、歩行者安全システム、「移動距離」記録装置、動作検出器、「低速」センサー（時速85km（50マイル）までの歩行者および交通の動きを検出する）、交通信号制御装置、自動ドア開閉装置、自動交通ゲート、スループットを監視するプロセス制御装置、侵入者検知器および盗難警報装置、列車の脱線を防ぐセンサー、遠隔振動検出器、回転速度タコメータ、水分含有量モニター。

ガンダイオードは低電圧で動作するため、ガンプレクサーと呼ばれる非常に低出力（数ミリワット）のマイクロ波トランシーバー用のマイクロ波周波数発生器として使用できます。英国のアマチュア無線家が初めてガンプレクサーを使用したのは 1970 年代後半で、ガンプレクサーの設計の多くは雑誌に掲載されています。ガンプレクサーは通常、ダイオードが取り付けられた約 3 インチの導波管で構成されています。ダイオードを駆動するには、適切に変調できる低電圧（12 ボルト未満）の​​直流電源を使用します。導波管の一端は共振空洞を形成するためにブロックされており、他端は通常ホーンアンテナに電力を供給します。追加の「ミキサーダイオード」が導波管に挿入され、他のアマチュア局を聴くことができるように改造されたFM 放送受信機に接続されることがよくあります。ガンプレクサは、 10GHzと24GHzのアマチュアバンドで最も一般的に使用されていますが、22GHzのセキュリティアラームが改造されることもあります。これは、ダイオードを、反対側の端に銅またはアルミホイルの層があるわずかにデチューンされたキャビティに入れて、認可されたアマチュアバンドに移動できるためです。ミキサーダイオードは、損傷がなければ、既存の導波管で再利用されます。これらの部品は、静電気に非常に敏感であることでよく知られています。ほとんどの市販ユニットでは、この部品は並列抵抗器と他のコンポーネントで保護されており、一部のRb原子時計ではその変形が使用されています。ミキサーダイオードは、ガンダイオードが使用により弱くなっても、低周波アプリケーションに役立ち、アマチュア無線愛好家の中には、衛星検出などのアプリケーションで外部発振器またはn/2波長ガンダイオードと組み合わせて使用​​している人もいます。

ガン発振器はミリ波およびサブミリ波の電波天文学受信機の局部発振器として使用されます。ガンダイオードは、ダイオードの基本周波数の2倍で共振するように調整されたキャビティに取り付けられています。キャビティの長さはマイクロメータの調整によって変更されます。50%の調整範囲（1つの導波管バンド）で50mWを超える出力を生成できるガン発振器が利用可能です。^[7]

ガン発振器の周波数は、サブミリ波アプリケーション用にダイオード周波数逓倍器によって逓倍されます。

ウィキメディア・コモンズには、ガンダイオードに関連するメディアがあります。