一種用于微波波段振蕩器的二極管——耿氏二極管

時間：2024/7/18閱讀：881

什么是耿氏二極管？

耿氏二極管是一種用于微波波段振蕩器的二極管。

指利用耿氏效應的二極管。使用的主要材料是N型砷化鎵（GaAs），物理學家JBGunn發(fā)現(xiàn)，當對GaAs晶體施加直流電場時，超過一定閾值時會在微波區(qū)域發(fā)生振蕩。這就是為什么這種現(xiàn)象被稱為癌癥效應。

耿氏二極管具有負阻區(qū)，這種效應用于微波振蕩器。這里的負電阻是指電流隨電壓增加而減少的電特性。

耿氏二極管通常用于利用耿氏效應的微波范圍內的振蕩器雷達。

當耿氏二極管安裝在空腔或波導中并施加直流電壓時，它會根據(jù)晶體的厚度產(chǎn)生自然振動。雖然結構比較簡單，但頻率穩(wěn)定性不如普通的由VCO或PLL控制的微波控制方法，因此除了通信之外有時用于利用多普勒效應的速度傳感器也有很多。

熟悉的應用包括棒球測速槍和測速雷達。

耿氏二極管利用微波帶中的振蕩現(xiàn)象，當超過臨界電場的電壓施加到具有兩個能帶的半導體晶體上時，電子快速躍遷到具有更高能級的帶時發(fā)生。當繪制能量與波數(shù)的關系圖時，GaAs 晶體的能帶圖有兩個具有不同底部能量和波數(shù)的導帶。

當施加電壓時，就會產(chǎn)生電流，而產(chǎn)生該電流的電子是導帶中的電子。通常情況下，導帶底部有很多電子，能量較低，隨著電壓的增加，更多的電子將轉移到能量較高的導帶。當超過一定電壓時，會發(fā)生較低能級導帶中的電子移動到較高能級導帶的現(xiàn)象，導致遷移率降低。

由于這種現(xiàn)象，當電壓超過一定水平時，即使增加電壓，電子的表觀遷移率，即電流值也會降低，導致負電阻的特性。隨著電壓進一步增加，較低導帶中的電子轉移到較高導帶，電流再次增加。

此時，電子像雪崩一樣發(fā)生急劇的高速運動，在微波波段出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。典型的VCO（壓控振蕩器）通過晶體管的阻抗匹配來利用負電阻，但耿氏二極管很好地利用了半導體晶體能帶。

速度傳感器是耿氏二極管的典型應用，一般利用一種稱為多普勒效應的物理現(xiàn)象。多普勒效應是指從快速移動的物體輻射的電磁波的反射波與原始頻率相比具有不同的表觀頻率的原理。

GaAs晶體中的耿氏二極管的頻率約為10GHz，并且根據(jù)該頻率波動差計算被照射物體的速度。順便說一句，這種頻率變化差異在物理術語中被表達為“節(jié)拍"，當涉及到棒球測速槍和汽車速度測量的 100 公里范圍內的速度測量時，相對于 10 GHz 頻率的變化是成為很小的比例。

耿氏二極管、類似的impad二極管和諧振隧道二極管作為亞太赫茲頻率振蕩器的研究材料目前正在引起研究機構的關注。由于它是一種可以相對容易地產(chǎn)生亞太赫茲頻率電磁波的二端器件，因此正在研發(fā)應用于Beyond5G/6G以及光通信領域的亞太赫茲頻率。