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Líneas de Transmisión y Microondas Diodo Gunn Y Diodo IMPATT

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Definición y características

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Líneas de Transmisión y Microondas

Diodo Gunn

Y

Diodo IMPATT

Nombre: César Vargas C.Carrera: Ingeniería en Electrónica y T.

Fecha: 25/11/2015

Introducción

En telecomunicaciones, las microondas son usadas en radiodifusión, ya que estas pasan fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda mayores. También hay más ancho de banda en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio.

Usualmente, las microondas son usadas en programas informativos de televisión para transmitir una señal desde una localización remota a una estación de televisión mediante una camioneta especialmente equipada, como también son usadas en protocolos de internet inalámbrico (802.11g/b) y para medios físicos como la televisión por cable e internet vía cable coaxial.

Radares, máseres, industria armamentista y muchas otras aplicaciones son evidencia de la importancia de este tipo de ondas, las cuales pueden ser generadas de varias maneras, generalmente divididas en dos categorías: dispositivos de estado sólido y dispositivos basados en tubos de vacío.

Los dispositivos de estado sólido para microondas están basados en semiconductores de silicio, arseniuro de galio u otros, e incluyen transistores de efecto campo (FET), transistores de unión bipolar (BJT), diodos Gunn y diodos IMPATT como los más importantes de uso práctico.

En el presente informe se describirán estos dos últimos diodos, partiendo por analizar su composición, funcionamiento y curvas características, para luego ubicarlos en el uso práctico que tienen hoy en día en las telecomunicaciones y diferencias que existan entre sí.

Clasificación de dispositivos semiconductores microondas

Diodo Gunn

El diodo Gunn se basa en el efecto Gunn, y ambos se llaman así por el físico JB Gunn. Se conoce también al diodo Gunn como dispositivo de transferencia de electrones.

Los diodos Gunn son unos dispositivos electrónicos que emiten radiación electromagnética en el rango de las microondas.

Existen en este dispositivo tres regiones; dos de ellas tienen regiones tipo N fuertemente dopadas y una delgada región intermedia de material ligeramente dopado.

Los diodos Gunn suelen fabricarse de arseniuro de galio para osciladores de hasta 200 GHz, mientras que los de Nitruro de Galio pueden alcanzar los 3 Terahertz

Funcionamiento del Diodo Gunn

La tercera banda está en una energía más alta que la banda de conducción normal, y está vacía hasta que la energía se suministra a la promoción de electrones a la misma. La energía se deriva de la energía cinética de los electrones balísticos.

Estos electrones comienzan ya sea por debajo del nivel de Fermi y se les da un tiempo suficientemente largo de recorrido libre en el medio para adquirir la energía necesaria mediante la aplicación de un fuerte campo eléctrico, o se inyectan por un cátodo con la energía correcta.

El "Nivel de Fermi" es el término utilizado para describir la parte superior del conjunto de niveles de energía de electrones a la temperatura de cero absoluto.

Efecto Gunn

El efecto fue descubierto por John B. Gunn en 1963. Este efecto es un instrumento eficaz para la generación de oscilaciones en el rango de las microondas en los materiales semiconductores. (Arseniuro de Galio (GaAs), Fosfuro de Indio (InP)).

El efecto Gunn es una propiedad del cuerpo de los semiconductores y no depende de la unión misma, ni de los contactos, tampoco depende de los valores de tensión y corriente y no es afectado por campos magnéticos.

Este efecto sólo se da en materiales tipo N (material con exceso de electrones) y las oscilaciones se dan sólo cuando existe un campo eléctrico.

Formación de dominios Gunn

Al aplicar un campo Eo, podemos decir que los electrones se mueven de cátodo a ánodo con una velocidad V3. Asumamos que una pequeña oscilación se produce en el instante t=0 la misma que puede ser ocasionada por la energía termal de los electrones. Podemos decir que los electrones que se encuentran en el punto A, al experimentar el campo eléctrico EL1 viajaran al ánodo con una velocidad V4. Los electrones en el punto B están sujetos a un campo eléctrico EH1 y tenderán hacia el ánodo con una velocidad V2, la misma que es menor que V4. Por consiguiente, cada vez aparecerán más electrones en esta zona lo que contribuirá a aumentar la resistencia diferencial negativa, lo que se traduce en un aumento en la oscilación hasta un límite máximo.

Funcionamiento de la resistencia Positiva

El Arseniuro de Galio (GaAs) es uno de los pocos materiales semiconductores que en una muestra con dopado tipo N, tiene una banda de energía vacía más alta que la más elevada de las que se encuentran ocupadas parcial o totalmente.

Funcionamiento de la resistencia negativa

Si a la placa anterior se le sigue aumentando la tensión, se les comunica a los electrones una mayor energía, pero en lugar de moverse más rápido, los electrones saltan a una banda de energía más elevada, que normalmente está vacía.

Diodo Gunn como oscilador

La resistencia diferencial negativa, combinada con las propiedades de tiempo de la capa intermedia, es responsable del uso más grande del diodo: en osciladores electrónicos a frecuencias de microondas y superiores.

Configuraciones diodo Gunn - cavidades resonantes

En general existen 3 tipos de diseños de osciladores Gunn, a los que comúnmente se les aplica un campo (para producir el movimiento entre valles) del orden de los 3.2 kV/cm

• Coaxial

• Guía de Onda

• Planares

• Cavidades Coaxiales

Este tipo de diseños cubren un rango de frecuencias entre 5 a 65 GHz. Este tipo de osciladores tienen un bajo Q lo que produce baja estabilidad y altos desvíos de frecuencia, por ejemplo un valor típico de un oscilador de este tipo son los que funcionan a 15 GHz y ofrecen un desvió de 1MHz/ºC.

• Cavidades De Guía de Onda

Este tipo de osciladores tienen la particularidad de que se encuentran acoplados con un iris, este tipo de cavidades son las más comunes para generar microondas, debido a que ofrecen un elevado Q y una excelente estabilidad de frecuencia, además ofrecen la ventaja de que pueden ser estabilizadas.

• Cavidades de Segundas Armónicas.

Cavidades de guía de onda acopladas con iris se usan por lo general a 50 GHz, para frecuencia mayores se suele utilizar cavidades de segundas armónicas, por ejemplo un valor de operación para este tipo de osciladores es de 95GHz con una estabilidad de 6MHz/ºC.

• Osciladores Planares

Constituyen una nueva generación de osciladores, en los cuales los costos y el tamaño se ven reducidos porque ya no utilizan cavidades; en lugar de ello utilizan un DRO (oscilador resonador dieléctrico) y un oscilador Gunn penar.

Aplicaciones del Diodo Gunn

Por ser capaces de manejar altas frecuencias son usados a menudo para frecuencias microondas o mayores, y pueden producir algunas de las más altas salidas de potencia comparadas a cualquier otro semiconductor a esas frecuencias.

Su uso más común es en osciladores usando voltaje DC, pero también son usados en amplificadores microondas para amplificar señales.

• Sensores e instrumentos de medición

Radares anticolisión de aeronaves, frenos antibloqueo, sensores para monitorear el flujo de tráfico, radar detector de automóviles, los sistemas de seguridad de los peatones, registradores de distancia recorrida, detectores de movimiento, sensores de baja velocidad, controladores de señales de tráfico, abridores de puertas automáticos, puertas automáticas de tráfico, equipos de control de procesos para monitorear rendimiento, alarmas anti ladrones, sensores para evitar descarrilamientos de trenes, detectores a distancia de vibraciones, tacómetros rotacionales de velocidad, monitores de contenido de humedad.

• En Radio aficionado

En virtud de su funcionamiento a baja tensión, los diodos Gunn pueden servir como generadores de frecuencia de microondas para transmisores de microondas de muy baja potencia, llamados Gunnplexers.

• Radio astronomía

Usados como oscilador, son empleados como osciladores locales en telescopios de onda milimétrica y submilimétrica (ALMA), haciéndolos resonar al doble de la frecuencia fundamental del diodo para luego pasar a un diodo multiplicador de frecuencia para aplicaciones de onda submilimétrica.

Diodo IMPATT

El diodo de Tiempo de Tránsito por Avalancha con Ionización por Choque también conocido como diodo “read”, pertenece a los llamados semiconductores osciladores de “resistencia negativa”; funciona estando conectado de forma inversa y cerca del voltaje de ruptura, entonces se produce en él una avalancha de electrones aumentando tanto la corriente como el voltaje, hasta llegar a un punto en el cual se presenta la una resistencia negativa y en conjunto con el circuito de resonancia producen oscilaciones a altas frecuencias (3-100GHz).

Su funcionamiento asocia la multiplicación por avalancha de los portadores de carga y su tiempo de propagación en la unión. Esto conduce, para ciertas frecuencias muy elevadas, a una resistencia negativa que permite utilizar el diodo en modo amplificador o en modo oscilador.

Se lo polariza negativamente con un tensión de corriente continua (DC) cercana al valor de ruptura y se le inyecta superpuesta una señal de Radio Frecuencia (RF). Durante los semiciclos positivos de la señal de RF se produce el efecto "avalancha". La corriente de avalancha solo interrumpe su crecimiento con la llegada del semiciclo negativo, pero los portadores de carga que se han creado durante el semiciclo anterior deben atravesar todavía la región de arrastre, lo que induce en el circuito una corriente externa que tiene un desfase superior a 90º con la señal de RF. Como tensión y corriente se encuentran prácticamente en contrafase, el diodo exhibe una resistencia negativa, comportándose como un dispositivo activo.

Como el diodo IMPATT se comporta como un dispositivo de tensión constante, el circuito de polarización requiere una corriente constante, para lo que se utiliza con frecuencia un transistor regulador de corriente, como el mostrado en la figura anterior.

Generalmente es montado en un empaquetamiento microondas, con su región de alto campo cercano a un disipador de cobre para que el calor generado en su junción sea rápidamente disipado.

Opera en una estrecha banda de frecuencias, y sus dimensiones internas deben correlacionarse con la frecuencia de operación deseada.

Al usarse como diodo oscilador, éste puede ser configurado al ajustar la frecuencia de resonancia del circuito acoplado respectivo, y también variando la corriente en el diodo; aquello puede ser usado para modulación de frecuencia.

Una gran ventaja de este diodo es su capacidad de soportar altas potencias (generalmente 10 wats o más) si se compara con otros diodos de microondas, siendo una de las mejores fuentes de potencia de estado sólido.

Por el contrario, el alto nivel de ruido de fase que generan debe ser tomado en cuenta para que la calidad de la señal generada no se degrade al aparecer componentes espurios en ella, siendo mayor este problema en cuanto más alta sea la frecuencia. Por esto, es frecuentemente más usado en transmisores que como oscilador local en receptores, donde las consecuencias del ruido de fase son generalmente más importantes.

Para poner en funcionamiento un diodo IMPATT se requiere un voltaje alto, generalmente del orden de 70 Volts o mayor, lo cual a menudo limita sus aplicaciones ya que voltajes de esa magnitud no siempre son fáciles de usar en algunos componentes del equipamiento en cuestión.

Aplicaciones

Son ideales cuando se necesitan como fuente de microondas efectivas y de bajo costo.

Detectores que usan tecnología de radio frecuencia.

Transmisiones y radares.

Alarmas de proximidad mediante la generación de microondas en radares de seguridad domiciliaria.

Dispositivos electrónicos microondas de alta frecuencia.

Comparación

La siguiente figura grafica la potencia de salida de onda versus su frecuencia, para ambos diodos, concerniente a dispositivos microondas de mayor relevancia.

Se puede apreciar la mayor entrega de potencia que permite el diodo IMPATT en comparación al diodo Gunn, generando la mayor potencia de salida de onda continua para frecuencias de onda milimétrica, entre todos los dispositivos de estado sólido; pero por el contrario, el diodo Gunn genera un menor ruido ( 10 a 20 dB menos ).

Además el Diodo Gunn es mayor tanto en rango posible de frecuencia como de potencia.

Por último, si se toma como referencia los 70 GHz, es marcada la diferencia de eficiencia entre ambos con 12% para el diodo IMPATT, versus sólo un 3% para el diodo Gunn