건 다이오드
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1. 개요
건 다이오드는 1962년 J. B. 건이 발견한 건 효과를 이용한 반도체 소자이다. 갈륨 비소와 같은 반도체 재료의 전자띠 구조를 활용하여 음의 미분 저항 특성을 나타내며, 주로 마이크로파 주파수 이상에서 발진기, 증폭기, 센서, 무선 통신, 전파천문학 등의 다양한 분야에 활용된다. 특히 스피드건, 항공기 충돌 방지 시스템, 레이더 탐지기 등에서 널리 사용되며, 건플렉서와 같은 저전력 마이크로파 트랜시버에도 적용된다.
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| 건 다이오드 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 종류 | 다이오드 |
| 발명자 | 존 B. 건 |
| 발명 년도 | 1962년 |
| 작동 원리 | 건 효과 |
| 사용 재료 | 갈륨비소 (GaAs), 인듐 인화물 (InP), 질화갈륨 (GaN) 등 |
| 작동 주파수 | 수 GHz ~ 수 THz |
| 특징 | |
| 장점 | 간단한 구조 높은 주파수 작동 저렴한 가격 |
| 단점 | 낮은 전력 효율 열 발생 |
| 응용 분야 | |
| 응용 분야 | 레이더 무선 통신 마이크로파 발생기 테라헤르츠파 발생기 센서 고주파 발진기 |
| 구체적 예시 | 자동차 충돌 방지 시스템 무선 데이터 통신 산업용 센서 과학 연구 장비 |
| 작동 원리 상세 | |
| 핵심 원리 | 전자의 이동도 변화 도핑 농도 조절 공핍층 형성 전기장 도메인 형성 |
| 추가 정보 | |
| 관련 연구 | 고출력 건 다이오드 연구 테라헤르츠파 발생 연구 효율 개선 연구 새로운 재료 연구 |
| 참고 자료 | 존 B. 건 사망 기사 고출력 테라헤르츠 발생을 위한 건 다이오드 건 레이저 구조 건 다이오드 (두피디아) |
2. 명칭
건 다이오드는 이 소자의 기반이 되는 '건 효과'를 발견한 물리학자 J. B. 건의 이름을 따서 명명되었다. 그는 1962년 IBM에서 갈륨 비소의 일관성 없는 실험 결과를 "잡음"으로 받아들이기를 거부하고 그 원인을 밝혀냄으로써 이 효과를 발견했다.[3] 벨 전화 연구소의 앨런 차이노위스는 1965년 6월에 전달 전자 메커니즘만이 실험 결과를 설명할 수 있음을 보였다.[3] 그가 감지한 진동은 영국의 물리학자 브라이언 리들리, 톰 워킨스, 시릴 힐섬의 이름을 딴 리들리-워킨스-힐섬 이론으로 설명될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이들은 1961년의 과학 논문에서 벌크 반도체가 ''음의 저항''을 나타낼 수 있음을 보였다. 즉, 인가 전압을 증가시키면 전류가 ''감소''한다는 것을 의미한다.
건 다이오드는 갈륨비소(GaAs)와 같은 특정 반도체 재료의 전자띠 구조를 이용한다. 이러한 재료들은 일반적인 전도대 외에 더 높은 에너지 띠(부띠)를 가지고 있는데, 이 띠는 일반적인 전도대보다 에너지가 높고 보통은 비어 있다. 전자는 페르미 준위 아래에서 시작하여 강한 전기장을 통해 에너지를 얻거나, 적절한 에너지를 가진 음극에 의해 주입되어 이 띠로 이동할 수 있다.
건 효과와 워킨스-리들리-힐섬 효과와의 관계는 1970년대 초 전달 전자 소자에 관한 서적[4]과 최근에는 전하 수송을 위한 비선형 파동 방법에 관한 서적[5] 등 전자 공학 문헌에 등장했다.
3. 원리
갈륨비소(GaAs)에서 세 번째 띠의 전자는 일반적인 전도대의 전자보다 유효 질량이 커서 이동도(표류 속도)가 낮다. 순방향 전압이 증가하면 더 많은 전자가 더 높은 에너지 띠로 이동하여 전류가 감소한다. 이것이 전압/전류 관계에서 음의 미분 저항 영역이 나타나는 이유이다.
다이오드에 충분히 높은 전압을 가하면, 음극 주변의 전하 운반자 밀도가 불안정해져 전도도가 낮은 작은 영역이 생긴다. 이 영역은 높은 전기장을 가지며 양극으로 이동한다. 높은 전기장 세기의 얇은 조각은 항상 낮은 전기장 세기의 배경에 존재하며, 전압이 약간 증가하면 음극에 새로운 전도도가 낮은 부분이 생성되고 양극에 도달하면 흡수되는 과정이 반복된다.
이러한 과정에서 최소한의 산란으로 이동하는 탄도 전자는 중요한 역할을 한다. 탄도 전자는 긴 평균 자유 행로를 가진 반도체를 통해 이동하여 더 높은 에너지 상태로 전이하는 데 필요한 에너지를 얻을 수 있다. 건 다이오드 재료 선택에는 각 분해 광전자 분광법 등의 실험 방법이 사용된다.
3. 1. 음의 미분 저항
음의 미분 저항은 중간층의 시간적 특성과 결합하여 전자 발진기에서 마이크로파 주파수 이상의 주파수를 생성하는 건 다이오드의 가장 큰 용도로 사용된다. 마이크로파 발진기는 소자에 DC 전압을 인가하여 음의 저항 영역으로 바이어스함으로써 간단하게 생성할 수 있다. 다이오드의 음의 미분 저항은 부하 회로의 양의 저항을 상쇄하여 미분 저항이 0인 회로를 생성하며, 이는 자발적인 진동을 생성한다. 발진 주파수는 중간 다이오드 층의 특성에 따라 부분적으로 결정되지만 외부 요인에 의해 조정될 수 있다. 실제 발진기에서는 도파관, 마이크로파 공진기 또는 YIG 구체 형태의 전자 공진기가 주파수를 제어하기 위해 일반적으로 추가된다. 다이오드는 일반적으로 공진기 내부에 장착된다. 다이오드는 공진기의 손실 저항을 상쇄하여 공진 주파수에서 발진을 생성한다. 주파수는 공진기의 크기를 조정하여 기계적으로 조정하거나, YIG 구체의 경우 자기장을 변경하여 조정할 수 있다. 건 다이오드는 10 GHz~THz 주파수 범위의 발진기를 구축하는 데 사용된다.
갈륨 비소 건 다이오드는 최대 200 GHz의 주파수에 사용되며, 질화 갈륨 재료는 최대 3 테라헤르츠에 도달할 수 있다.[1][2]
4. 구조 및 종류
건 다이오드는 발진 주파수를 결정하는 방식에 따라 여러 종류로 나뉜다. 기본 구조는 혼 안테나 내부에 발진용 건 다이오드와 믹서를 함께 배치하는 형태이다.
4. 1. LSA 다이오드
LSA 다이오드(Limited space-charge accumulation diode)는 건 다이오드의 일종으로, 발진 주파수가 결정체의 두께에 의해 결정되지 않고 조합된 도파관, YIG 구체, 공동공진기(cavity resonator) 등 외부 회로에 의해 결정된다. 건 다이오드에 비해 높은 주파수, 높은 출력을 구현 가능하다.[12]5. 응용 분야
건 다이오드는 고주파 특성 때문에 주로 마이크로파 주파수 이상에서 사용된다. 이러한 주파수에서 건 다이오드는 반도체 소자 중 가장 높은 출력을 낼 수 있다. 발진기나 마이크로파 증폭기에서 신호를 증폭하는 데 사용된다. 다이오드는 일포트(두 단자) 소자이기 때문에, 증폭기 회로는 결합을 방지하기 위해 출력된 증폭 신호와 입력된 입력 신호를 분리해야 한다. 일반적인 회로 중 하나는 서큘레이터를 사용하여 신호를 분리하는 ''반사 증폭기''이다. 바이어스 티는 고주파 발진으로부터 바이어스 전류를 분리하는 데 필요하다.
건 다이오드는 다양한 분야에 응용된다.
- 스피드건은 도플러 효과를 이용하여 야구공이나 차량의 속도를 측정한다.
- 항공기 충돌 방지 레이더, 잠금 방지 브레이크, 교통량 모니터링 센서, 차량 레이더 탐지기, 보행자 안전 시스템, 주행 거리 기록기, 동작 감지기, 저속 센서(최대 85km 속도의 보행자 및 차량 이동 감지) 등에 사용된다.
- 교통 신호 제어기, 자동 문 열림 장치, 자동 교통 게이트, 처리량 모니터링 공정 제어 장비, 도난 경보기 및 침입자 감지 장비, 열차 탈선 방지 센서, 원격 진동 감지기, 회전 속도 계측기, 수분 함량 모니터 등에도 사용된다.
- 건플렉서(Gunnplexer): 저전압 동작 특성을 이용하여 매우 저전력(수 밀리와트) 마이크로파 트랜시버의 마이크로파 주파수 발생기로 사용된다.
- 전파천문학 수신기의 국부 발진기로 사용된다.
5. 1. 발진기
건 다이오드는 발진기로 가장 많이 사용된다. 마이크로파 발진기는 소자에 DC 전압을 인가하여 음의 저항 영역으로 바이어스함으로써 간단하게 생성할 수 있다. 다이오드의 음의 미분 저항은 부하 회로의 양의 저항을 상쇄하여 미분 저항이 0인 회로를 생성하며, 이는 자발적인 진동을 생성한다. 발진 주파수는 중간 다이오드 층의 특성에 따라 부분적으로 결정되지만 외부 요인에 의해 조정할 수 있다. 실제 발진기에서는 도파관, 마이크로파 공진기 또는 YIG 구체 형태의 전자 공진기가 주파수를 제어하기 위해 일반적으로 추가된다. 다이오드는 일반적으로 공진기 내부에 장착된다. 다이오드는 공진기의 손실 저항을 상쇄하여 공진 주파수에서 발진을 생성한다. 주파수는 공진기의 크기를 조정하여 기계적으로 조정하거나, YIG 구체의 경우 자기장을 변경하여 조정할 수 있다. 건 다이오드는 10 GHz~THz 주파수 범위의 발진기를 구축하는 데 사용된다.[1][2]갈륨 비소 건 다이오드는 최대 200 GHz의 주파수에 사용되며, 질화 갈륨 재료는 최대 3 테라헤르츠에 도달할 수 있다.[1][2]
5. 2. 센서 및 측정 장비
스피드건은 도플러 효과를 이용하여 야구공이나 차량의 속도를 측정한다. 레이다는 송신된 전파와 수신된 전파의 편차를 측정하므로 주파수 안정도는 중요하지 않다. 혼 안테나 내부에 발진용 건 다이오드와 송수신 편차를 검출하는 믹서가 구성된 형태로 만들어진다.[6]건 다이오드는 항공기 충돌 방지 레이더, 잠금 방지 브레이크, 교통량 모니터링 센서, 차량 레이더 탐지기, 보행자 안전 시스템, 주행 거리 기록기, 동작 감지기, 저속 센서(최대 85km 속도의 보행자 및 차량 이동 감지), 교통 신호 제어기, 자동 문 열림 장치, 자동 교통 게이트, 처리량 모니터링 공정 제어 장비, 도난 경보기 및 침입자 감지 장비, 열차 탈선 방지 센서, 원격 진동 감지기, 회전 속도 계측기, 수분 함량 모니터 등에 사용된다.[6]
5. 3. 무선 통신
저전압 동작 특성 덕분에 건 다이오드는 건플렉서(Gunnplexer)라고 불리는 매우 저전력(수 밀리와트) 마이크로파 트랜시버의 마이크로파 주파수 발생기로 사용될 수 있다. 영국의 아마추어 무선사들이 1970년대 후반에 처음으로 이를 사용하기 시작했으며, 많은 건플렉서 설계가 저널에 발표되었다.[1] 건플렉서는 일반적으로 다이오드가 장착된 약 약 7.62cm 파장 도파관을 포함하며, 적절히 변조될 수 있는 저전압(12볼트 미만) 직류 전원 공급 장치가 다이오드를 구동하는 데 사용된다.[1] 도파관의 한쪽 끝은 공진기가 되도록 차단되고, 다른 쪽 끝은 일반적으로 혼 안테나에 연결된다.[1] 추가적인 "믹서 다이오드"가 도파관에 삽입되며, 다른 아마추어 방송국을 수신할 수 있도록 개조된 FM 방송 수신기에 연결되는 경우가 많다.[1] 건플렉서는 10 GHz 및 24 GHz 햄 대역에서 가장 일반적으로 사용되며, 때때로 22 GHz 보안 경보기가 개조되어 다이오드가 약간 탈조된 공진기에 설치되고, 반대쪽 가장자리에 구리 또는 알루미늄 박막을 덧대어 허가된 아마추어 대역으로 이동할 수 있다.[1]믹서 다이오드가 손상되지 않았다면 기존 도파관에 재사용되며, 이 부품들은 정전기에 매우 민감하기로 유명하다.[1] 대부분의 상용 장치에서 이 부품은 병렬 저항 및 기타 부품으로 보호되며, 일부 Rb 원자 시계에서도 변형된 형태로 사용된다.[1] 건 다이오드가 사용으로 약해지더라도 믹서 다이오드는 저주파 응용 분야에 유용하며, 일부 아마추어 무선 애호가들은 위성 탐색 및 기타 응용 분야에 외부 발진기 또는 n/2 파장 건 다이오드와 함께 사용해 왔다.[1]
5. 4. 전파천문학
건 발진기는 밀리미터파 및 서브밀리미터파 전파천문학 수신기의 국부 발진기로 사용된다.[7] 건 다이오드는 다이오드의 기본 주파수의 두 배에서 공진하도록 조정된 공진기에 장착된다. 공진기 길이는 마이크로미터 조정으로 변경된다. 50% 이상의 조정 범위(하나의 도파관 대역)에서 50mW 이상을 생성할 수 있는 건 발진기가 이용 가능하다.[7] 서브밀리미터파 응용 분야의 경우, 건 발진기 주파수는 다이오드 주파수 배증기를 통해 배가된다.6. 역사
IBM의 물리학자 J. B. 건은 1962년에 갈륨비소를 이용한 실험 중 일관성이 없는 결과를 단순한 "잡음"으로 치부하지 않고, 그 원인을 분석하여 건 효과를 발견했다.[3] 1965년 6월, 벨 전화 연구소의 앨런 차이노위스는 실험 결과를 설명할 수 있는 유일한 방법이 전달 전자 메커니즘임을 입증했다.[3]
그가 발견한 진동은 영국의 물리학자 브라이언 리들리, 톰 워킨스, 시릴 힐섬의 이름을 딴 리들리-워킨스-힐섬 이론으로 설명할 수 있었다. 이들은 1961년 발표한 논문에서 벌크 반도체가 ''음의 저항''을 가질 수 있음을 보였다. 즉, 인가 전압을 높이면 전류가 ''감소''하는 현상을 예측했다.
건 효과와 워킨스-리들리-힐섬 효과의 관계는 1970년대 초 전달 전자 소자에 관한 서적[4]과 최근에는 전하 수송을 위한 비선형 파동 방법에 관한 서적[5] 등 전자 공학 문헌에 나타났다.
참조
[1]
논문
Gunn Effect and the THz Frequency Power Generation in n(+)-n-n(+) GaN Structures
http://www.scientifi[...]
[2]
논문
Negative effective mass mechanism of negative differential drift velocity and terahertz generation
[3]
논문
The Gunn effect: puzzling over noise
[4]
서적
Transferred electron devices
Academic Press
[5]
서적
Nonlinear Wave Methods for Charge Transport
Wiley-VCH
[6]
문서
The Gunn effect
http://www.nhn.ou.ed[...]
University of Oklahoma, Department of Physics and Astronomy
[7]
논문
A Continuously Tunable 65-115 GHz Gunn Oscillator
https://ieeexplore.i[...]
IEEE
[8]
웹사이트
Obituary of John Battiscombe Gunn_ inventor of the Gunn diode
https://physicstoday[...]
physicstoday.scitation.org
2023-04-06
[9]
논문
Advanced Gunn diode as high power terahertz source for a millimetre wave high power multiplier
https://doi.org/10.1[...]
SPIE
2009-09-17
[10]
웹사이트
The anatomy of the Gunn laser
https://www.research[...]
2019-01-20
[11]
백과사전
건다이오드(Gunn diode)
[12]
웹사이트
LSA (limited space-charge accumulation) diode
http://www.jedec.org[...]
JEDEC
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