この記事ではガンダイオードについて
- ガンダイオードの『記号』
- ガンダイオードの『特徴』
- ガンダイオードの『原理』
などを図を用いて分かりやすく説明しています。
ガンダイオードの『記号』と『特徴』
ガンダイオード(Gunn Diode)とは、ガン効果を利用したダイオードです。N型半導体(N型ガリウムひ素GaAs)でのみ構成されており、回路記号は上図のものを用います。
ガン効果とは、N型ガリウムひ素(GaAs)に高電界(数kV/cm)を加えると、ダイオード中の電子の走行時間の逆数にほぼ等しい周波数の発振が起こる現象です。この現象は1963年に「物理学者J.B.Gunn」により発見されたため、ガン効果と呼ばれています。
また、ガンダイオードは「負性抵抗特性(電圧が増加すると、電流が減少する)」の領域を持っております。
補足
- このガン効果によって、数GHzのマイクロ波を発生させることができるため『マイクロ波発振器』に用いられています。その他では『野球のスピードガン』や『速度取締りレーダー』などが主な用途になっています。
- 通常の整流ダイオードはP型半導体とN型半導体で構成されています。
- ガンダイオードの発振周波数は主にN型ガリウムひ素(GaAs)の厚さで決まります。
ガンダイオードの『原理』
N型ガリウムひ素(GaAs)のエネルギーバンド図を上図に示しています。
エネルギーバンド図とは、縦軸が電子の持つエネルギー、横軸が波数k(←波長の逆数)の図です。上図に示すように、N型ガリウムひ素(GaAs)には、エネルギー差ΔEが0.36eVある2つの伝導帯Aと伝導体Bがあります。
各伝導体の有効質量と移動度は以下のようになっています。
- 低いレベルの伝導帯Aの電子は有効質量mAが小さく、移動度μAが大きくなります。
- 高いレベルの伝導帯Bの電子は有効質量mBが大きく、移動度μAが小さくなります。
ガンダイオードに印加する電圧を増加させる(つまり、電界を高くすると)、ある電圧V1を超えたところで、低いレベルの伝導帯Aの電子が高いレベルの伝導帯Bに移動してきます。その結果、移動度μが減少します。移動度μに電界Eを掛けたものがドリフト速度となるため、ドリフト速度が減少するということになります。
ドリフト速度は電流に比例します。つまり、電圧V1を超えると、電圧を上げても電流が下げる負性抵抗特性を表すということになります。
さらにガンダイオードに印加する電圧を増加させると、ある電圧V2で低いレベルの伝導帯Aの電子が高いレベルの伝導帯Bに移りきります。その結果、ドリフト速度が再び増加していきます。つまり、電流が増加してきます。
このような原理により、ガンダイオードは電圧V1～V2の領域では負性抵抗特性を表します。
まとめ
この記事ではガンダイオードついて、以下の内容を説明しました。
当記事のまとめ
- ガンダイオードの『記号』
- ガンダイオードの『特徴』
- ガンダイオードの『原理』
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