Diode Gunn
seuil (Vs)
résistance
négative
Figure 1 : Courbe caractéristique d’un semi-conducteur à effet volumique.
seuil (Vs)
résistance
négative
Figure 1 : Courbe caractéristique d’un semi-conducteur à effet volumique.
En 1962, le chercheur J.B. Gunn a démontré que des micro-ondes peuvent être produites en appliquant une tension stable à un barreau de cristal de type n d’arséniure de gallium (GaAs). La diode Gunn qui en résulta comporte trois régions, deux d'entre elles, proches des connexions, sont fortement dopées (N++), la fine partie centrale est quant à elle faiblement dopée (N-). Cette diode fait partie de la famille des TED (Transferred Electronic Devices) à cause du transfert d’électrons vers des bandes supérieures de conduction qui la caractérise.
En effet, dans l’arséniure de gallium, il existe des bandes de conductions d’énergie supérieure à la bande de base. Pour atteindre ces bandes supérieures, les électrons ont besoin d’une grande accélération due au champ électrique. Une fois qu’ils ont atteint ces bandes ils ralentissent. Le taux de transfert de la bande de conduction normale à ces bandes supérieures est proportionnel à la tension de polarisation dans le cristal.
Lorsque la polarisation est faible, le courant augmente avec la tension entre la cathode et l’anode. Cependant, dépassé la tension seuil (Vs) sur la figure 1, les électrons ralentis vont être rattrapés par ceux encore dans la bande de conductions normales et former une zone compacte d’électrons, appelé domaine. La tension en dehors du domaine dans le cristal tombe sous Vs ce qui empêche la formation de nouveaux domaines jusqu’à ce que le premier ait atteint l’anode.
De courtes impulsions de courant apparaissent ainsi, espacées approximativement par le temps de transit des domaines dans le barreau. Aux bornes de la diode, le courant et la tension sont alors déphasés de telle sorte que la diode présente une région de baisse de courant au-dessus de Vs interprétée comme une résistance négative.
L’oscillateur de Gunn utilise l’effet volumique d’un tel semi-conducteur et sa fréquence est inversement proportionnelle au temps de transit des électrons dans le cristal. Ce temps est lui proportionnel à la longueur du semi-conducteur et en partie à la tension de polarisation. Les diodes Gunn faite d’arséniure de gallium peut être utilisée pour des fréquences allant jusqu’à 200 GHz. Avec du nitrure de gallium, la fréquence maximale est de l’ordre de 3 THz. Les caractéristiques d’une diode Gunn incluent sa gamme de fréquence, sa puissance minimale, les tensions et le courant en opération, ainsi que son emballage.
Pour plus de puissance, les diodes Gunn peuvent être pulsées ou mises en séries. Un oscillateur de Gunn peut donner un signal continu allant jusqu’à environ 65 milliwatt et des impulsions de 200 watts.
Dans le module suivant, la diode IMPATT (diode à avalanche à résistance négative aux hyperfréquences) sera décrite. Elle ajoute au même principe de fonctionnement celui venant de la diode Zener.