Gunn-Diode / Gunn-Element

Das Bauteil ist keine aus p- und n-dotierten Halbleitern bestehende Diode. Bei der Gunn-Diode handelt es sich um n-dotierte Verbindungshalbleiter mit einer Abfolge unterschiedlich stark dotierter Zonen. Das Halbleitermaterial ist meistens Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) oder Indiumphosphid (InP), Elemente aus der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente. Der amerikanische Physiker J. B. Gunn entdeckte 1963 an diesen Halbleiterkristallen schnelle statistische Stromänderungen, wenn sie an ausreichend großer Gleichspannung betrieben werden. Bei kurzen Halbleiterkristallen kleiner 25 μm bilden sich periodische Schwingungen aus, die in speziellen Oszillatoren zur Erzeugung von Mikrowellen genutzt werden können. Die Frequenz wird von der Länge der aktiven Kristallzone bestimmt wird liegt zwischen (2 bis 200) GHz und kann bei Galliumnitrid wenige Terahertz erreichen.

Prinzipieller Aufbau einer Gunn-Diode

Das Gunn-Halbleiterelement hat drei aufeinanderfolgende unterschiedlich stark n-dotierte Zonen, von denen die dünne mittlere aktiv genutzte Zone kaum dotiert ist. Die Gleichspannung wird an den Enden über ohmsche Metall-Halbleiterkontakte angelegt. Die n++ höher dotierte Zone hat einen relativen Überschuss an Elektronen und wird als Kathode bezeichnet, während die etwas geringer n+ dotierte Zone die Anode ist. Das Halbleiterelement hat keinen Sperrbereich und ist in beiden Richtungen gemessen relativ niederohmig.

Arbeitsweise eines Gunn-Elements

Beim Anlegen einer zunehmenden Gleichspannung nimmt bis zum Erreichen einer Schwellenspannung der Strom kontinuierlich zu. In der schlecht leitenden mittleren Zone steigt die elektrische Feldstärke an, wobei dort fast die gesamte Spannung abfällt. Ab einer elektrischen Feldstärke von 2 kV / cm entsprechend 2 V / 10 μm Weglänge im GaAs kommt es zu den von J. B. Gunn beobachteten Stromänderungen. Oberhalb der Schwellenspannung nimmt der Strom mit zunehmender Gleichspannung ab. Im Arbeitspunkt, der für GaAs zwischen 7 ... 10 V, dem rund vierfachen der Schwellenspannung liegt, hat das Gunn-Element einen differentiell negativen Widerstand. Die Strom-Spannungs-Kennlinie ist vergleichbar mit der einer Tunnel-Diode. Nachdem die Strom-Spannungskurve den Talpunkt durchlaufen hat, nimmt bei weiterer Spannungserhöhung der Strom wieder kontinuierlich zu.

In Halbleitern liegt oberhalb des mit Elektronen besetzten Valenzbands das unbesetzte Leitfähigkeitsband. Dazwischen befindet sich die Bandlücke, eine für Elektronen verbotene Aufenthaltszone. Ist die am Halbleiter anliegende elektrische Spannung groß genug, können einzelne Elektronen so weit beschleunigt werden, dass ihre Energie zum Überwinden der Bandlücke ausreicht. Diese Elektronen besetzen im Leitungsband das absolute energetische Minimum. Zuviel aufgenommene Energie wird als thermische Energie an den Halbleiterkristall abgegeben. Einige wenige Halbleiter, zu den GaAs und InP zählen, haben im Leitungsband mindestens zwei nahe beieinanderliegende energetische Minima für den Aufenthalt der angeregten Elektronen. Bei Galliumarsenid sind mehr als 1,43 eV notwendig, um Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband zu transportieren. Die beiden besetzbaren Energieminima im Leitungsband liegen um 0,36 eV auseinander.

Der zur angelegten Spannung proportionale Stromanstieg wird von der Anzahl der sich im unteren Energieminimum frei beweglichen Elektronen bestimmt. In der kaum dotierten n-Zone des Halbleiterkristalls reicht die Energie des elektrischen Felds oberhalb eines Schwellenwerts der angelegten Spannung aus, um die meisten Elektronen in das höhere Energieminimum des Leitungsbands zu transportieren. Zusätzlich zu dieser anschaulichen Erklärung wirken quantenphysikalische Effekte. Mithilfe der relativistischen Proportionalität zwischen Energie und Masse haben Elektronen in der höheren Energiestufe eine effektiv höhere Masse. Sie führt bei gleichem E-Feld zu einer geringeren Elektronenbeweglichkeit gleich vermindertem Stromfluss und erklärt den differenziellen negativen Widerstand.

Die Elektronen erreichen das höhere Leitungsbandminimum nahe der Kathode und bewegen sich von dort wie in einer Scheibe zusammenbleibend in Richtung der Anode. In der aktiven Zone bilden sich wandernde Bereiche unterschiedlicher Feldstärken. Sie verringern das zwischen Kathode und Anode wirksame E-Feld, sodass keine weiteren Elektronen in das höhere Leitungsbandminimum befördert werden. Erreicht die höherenergetische 'Elektronenscheibe' die Anode, kann am Arbeitswiderstand eine Stromspitze gemessen werden. Gleichzeitig springt das E-Feld an der aktiven Zone wieder auf den ursprünglich hohen Wert und nahe der Kathode wird das Nebenminimum im Leitungsband neu besetzt. Der Gunn-Effekt wird als transferred electron effekt und die Gunn-Diode als TED transfer elektron device bezeichnet.

Einsatzbereiche

Gunn-Elemente werden in Mikrowellensendern mit geringer Leistung weniger 100 mW eingesetzt. Im gepulsten Betrieb können sie in der Radarsendetechnik auch mit mehreren Watt betrieben werden. Die Bauelemente sind in Überwachungseinrichtungen für die Zugangskontrolle in der Gebäudetechnik, in der Straßen-, Schienen- und Luftverkehrstechnik in Kollisions- und Geschwindigkeitsdetektoren und im Empfang und der Verarbeitung von Satellitensignalen zu finden.