مذبذب Gunn Diode

يُطلق على أشباه الموصلات المستخدمة في مذبذب “Gunn” الصمام الثنائي “Gunn”، والصمام الثنائي “Gunn” عبارة عن جهاز مقاومة “سالب” ذو طرفين، ويُشار إلى الصمام الثنائي “Gunn” أيضاً باسم “جهاز الإلكترون المتغير” الذي اخترعه “JB Gunn” في عام 1963م.

ما هو Gunn Diode Oscillator؟

مذبذب “Gunn Diode”: هو المعروف أيضاً باسم مذبذبات “Gunn” أو مذبذب جهاز الإلكترون المنقول مصدراً رخيص التكلفة لطاقة الميكروويف ويتكون من صمام ثنائي “Gunn” أو جهاز الإلكترون “TED” كمكون رئيسي لهما، حيث يؤدون “function” مماثل مثل “Reflex Klystron Oscillators”،و في مذبذبات سيتم وضع الصمام الثنائي “Gunn” في تجويف طنين، ويتكون مذبذب “Gunn” من مكونين رئيسيين هما انحياز “DC” ودائرة ضبط.

منذ اختراع مذبذبات “Gunn” لعبت دوراً فريداً في استبدال الأنبوب لتوليد طاقة ميكروويف منخفضة إلى متوسطة المستوى في التردد نطاق من “2 جيجاهرتز” إلى “140 جيجاهرتز”، وهذا صحيح بشكل خاص في ترددات الموجات المليمترية قبل وقت طويل من وصول “pHEMT” وأجهزة الميكروويف ثلاثية الأطراف الأكثر تقدماً إلى مرحلة النضج وأصبحت عملية.

أساسيات مذبذب Gunn:

مذبذب “Gunn Diode” هو ببساطة مذبذب مبني حول جهاز “Gunn diode”، والصمام الثنائي “Gunn” هو نوع من الصمام الثنائي يستخدم منطقتين مخدرتين بشكل سلبي، مع منطقة مخدرة أقل سلبياً قليلاً بينهما، كما يقدم هذا البناء مقاومة سالبة على عتبة جهد معينة ويتصرف كجهاز إلكتروني منقول “TED” مع المقاومة السلبية ويمكن أن يحدث عدم الاستقرار والتذبذبات بسهولة.

نظراً لأنّه يمكن بناء ثنائيات “Gunn” باستخدام أشباه الموصلات ذات الحركة الإلكترونية العالية جداً واستجابة التردد فقد تم بناء مذبذبات تيراهيرتز باستخدام هذه التقنية، كما تُستخدم أشباه موصلات الغاليوم “GaAs” ونيتريد الغاليوم “GaN” بشكل شائع لصنع ثنائيات “Gunn” التي تعمل في الجيجاهيرتز إلى تيراهيرتز، حيث تشتهر مذبذبات الصمام الثنائي “Gunn” بقدرتها على إنتاج مستويات طاقة عالية للغاية عند الترددات العالية.

وبعد ذلك فإنّ استخدامها الشائع في أنظمة الموجات الدقيقة والموجة المليمترية وتيراهيرتز، حيث هناك العديد من التطبيقات المتاحة تجارياً لمذبذبات “Gunn Diode”، وتشمل هذه المذبذبات الدليل الموجي وتجويف الميكروويف ومذبذبات الإيتريوم والحديد والعقيق “YIG” الكروية “Gunn Diode”.

يتم التحكم في تردد التذبذب في مذبذب “Gunn Diode” بواسطة هيكل رنان، وبالنسبة لمذبذبات الدليل الموجي وتجويف الميكروويف، فإنّ هندسة البناء وتجويفات الدليل الموجي وتجويف الميكروويف تحدد ترددات الرنين، وبالنسبة لمذبذب “YIG” القائم على المجال فإنّ تردد الرنين المتحكم فيه مغناطيسياً لمجال “YIG” يحدد تردد الرنين.

مذبذبات البندقية هي تقنية قديمة، وقد يكون لدى مهندسي الجيل الجديد فرص محدودة للتعرف على هذه التكنولوجيا بسبب ولادة الأجهزة القائمة على ثلاثة أطراف، مثل “HBT” و”MOSFET” و”pHEMT” تلعب المذبذبات القائمة على هذه الأجهزة الدور المهيمن كمولدات إشارة في صناعة الميكروويف لتطبيقات النظام المختلفة، خاصةً في مجال تردد الميكروويف حتى “40 جيجاهرتز”.

• “HBT” هي اختصار لـ “Heterojunction Bipolar Transistor”.

• “MOSFET” هي اختصار لـ “Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”.

• “HEMT” هي اختصار لـ “high-electron-mobility transistor”.

• “TED” هي اختصار لـ “Transported electronic device”.

آلية عمل الصمام الثنائي Gunn كمذبذب:

أولاً: تحيز “DC”:

في حالة الصمام الثنائي “Gunn” مع زيادة انحياز “DC” المطبق يبدأ التيار في الزيادة في المرحلة الأولية والتي تستمر حتى جهد العتبة، وبعد ذلك يستمر التيار في الانخفاض مع ارفاع الجهد حتى الوصول إلى جهد الانهيار، وهذه المنطقة التي تمتد من القمة إلى نقطة القاع تسمى منطقة المقاومة السلبية.

هذه الخاصية للديود “Gunn” مع خصائص التوقيت تجعله يتصرف كمذبذب يوفر القيمة المثلى للتدفقات الحالية من خلاله، وهذا لأنّ خاصية المقاومة السلبية للجهاز توقف تأثير أي مقاومة حقيقية متوفرة في الدائرة، وينتج عن هذا توليد تذبذبات مستدامة حتى يكون تحيز التيار المستمر موجوداً مع منع نمو التذبذبات، وعلاوة على ذلك فإنّ سعة التذبذبات الناتجة ستكون محدودة بحدود منطقة المقاومة السلبية.

• “DC” هي اختصار لـ “Direct current”.

ثانياً: ضبط الدائرة:

في حالة مذبذبات “Gunn” يعتمد تردد التذبذب بشكل أساسي على الطبقة الوسطى النشطة من الصمام الثنائي المدفع، ومع ذلك يمكن ضبط تردد الطنين خارجياً إمّا بوسائل ميكانيكية أو كهربائية، وفي حالة دائرة الضبط الإلكترونية يمكن إجراء التحكم باستخدام دليل الموجة أو تجويف الميكروويف أو الصمام الثنائي المتغير أو كرة “YIG”.

كما يتم تثبيت الصمام الثنائي داخل التجويف بطريقة تلغي مقاومة فقدان الرنان ممّا ينتج عنه تذبذبات ومن ناحية أخرى في حالة الضبط الميكانيكي، يتغير حجم التجويف أو المجال المغناطيسي لمجالات “YIG” ميكانيكياً عن طريق على سبيل المثال برغي ضبط من أجل ضبط تردد الرنين.

تُستخدم هذه الأنواع من المذبذبات لتوليد ترددات ميكروويف تتراوح من “10 جيجاهرتز” إلى عدد قليل من “THz” وفقاً لما تحدده أبعاد تجويف الرنين، وعادةً ما يكون لتكوين المذبذب المحوري والشريط الصغير أو المستوي عامل طاقة منخفض وتكون أقل استقراراً من حيث درجة الحرارة، ومن ناحية أخرى فإنّ تصميمات الدوائر المستقرة للدليل الموجي والرنان العازل الكهربائي لها عامل طاقة أكبر ويمكن جعلها مستقرة حرارياً بسهولة تامة.

يوضح الشكل التالي مذبذب “Gunn” القائم على الرنان المحوري والذي يستخدم لتوليد ترددات تتراوح من “5 جيجاهرتز” إلى “65 جيجاهرتز”، ونظراً لتنوع الجهد المطبق “Vb” تنتقل التقلبات الناتجة عن الصمام الثنائي “Gunn” على طول التجويف لتنعكس من نهايته الأخرى وتصل إلى نقطة البداية بعد الوقت الذي يُعطى بواسطة:

T = 2 l/c

حيث أنّ “l” طول التجويف و”c” هي سرعة الضوء، كما يمكن استنتاج معادلة تردد الرنين لمذبذب “Gunn” كـ:

F = n c /2 l

حيث أنّ “n” هو عدد نصف الموجات التي يمكن أن تتناسب مع التجويف لتردد معين، ويتراوح هذا n من 1 إلى “l / c td”، حيث أنّ “td” هو الوقت الذي يستغرقه الصمام الثنائي للرد على التغيرات في الجهد المطبق.

كما تبدأ التذبذبات عندما يكون تحميل الرنان أعلى قليلاً من المقاومة السلبية القصوى للجهاز، وبعد ذلك تنمو هذه التذبذبات على فترات متقطعة من السعة، وحتى يصبح متوسط ​​المقاومة السلبية للديود المدفع مساوياً لمقاومة الرنان، وبعد ذلك يمكن للمرء الحصول على تذبذبات مستمرة، وعلاوةً على ذلك يحتوي هذا النوع من مذبذبات الراحة على مكثف كبير مرتبط من خلال الصمام الثنائي للابتعاد عن احتراق الجهاز بسبب إشارات السعة الكبيرة.

تطبيقات مذبذبات Gunn diode:

إنّ مذبذبات “Gunn diode” تستخدم على نطاق واسع كأجهزة إرسال واستقبال لاسلكية وأجهزة استشعار للكشف عن السرعة ومضخمات حدودية ومصادر الرادار، وأجهزة استشعار مراقبة حركة المرور ومحددات الحركة وكاشفات الاهتزاز عن بُعد ومقاييس سرعة الدوران وأجهزة مراقبة كمية الرطوبة.

وكذلك أجهزة الإرسال والاستقبال بالميكروويف “Gunn plexers”، وفي حالة أجهزة فتح الأبواب الأوتوماتيكية وأجهزة الإنذار ضد السرقة، ورادارات الشرطة والشبكات المحلية اللاسلكية وأنظمة تجنب الاصطدام والمكابح المانعة للانغلاق وأنظمة سلامة المشاة.