effet Gunn

L'effet Gunn est la génération spontanée d'oscillations micro-ondes (généralement de 1 à 100 GHz) qui se produit lorsqu'une tension continue appliquée à certains semi-conducteurs, en particulier l'arséniure de gallium (GaAs) ou le phosphure d'indium (InP), dépasse un seuil critique. Contrairement aux oscillateurs conventionnels qui nécessitent des réseaux de rétroaction, l'effet Gunn produit des oscillations intrinsèquement à partir de la physique interne du matériau, ce qui en fait un phénomène de résistance différentielle négative qui peut être exploité pour la conception pratique d'oscillateurs.

Le mécanisme repose sur la structure de bande du matériau semi-conducteur. Lorsque le champ électrique appliqué atteint environ 3200 volts par centimètre dans le GaAs, les électrons acquièrent suffisamment d'énergie pour passer de la vallée inférieure de la bande de conduction (haute mobilité) à la vallée supérieure (faible mobilité). Ce transfert de vallée entraîne une diminution paradoxale de la vitesse de dérive à mesure que la tension augmente, créant une région où la résistance devient négative. Cette instabilité déclenche des oscillations de courant spontanées à des fréquences déterminées par la géométrie du dispositif, la concentration de dopage et la polarisation appliquée.

Conception et fonctionnement pratiques des dispositifs

Une diode Gunn est généralement un dispositif à deux bornes avec une région active de type n prise en sandwich entre des couches de contact n+ fortement dopées. L'épaisseur de la région active est critique; pour un fonctionnement en bande X (environ 10 GHz), elle est typiquement de 5 à 10 micromètres. Le dispositif doit être monté dans une cavité résonante ou un guide d'ondes pour maintenir l'oscillation à une fréquence désirée. Le réglage se produit en faisant varier la tension de polarisation, ce qui décale la fréquence d'oscillation d'environ 10 à 15 MHz par volt appliqué, selon la conception de la cavité.

Les oscillateurs Gunn sont standard dans les systèmes radar, les communications micro-ondes et la synthèse de fréquence depuis les années 1960, bien que leur efficacité soit modeste (10 à 20 pour cent typique) et leur bruit de phase soit plus élevé que celui des oscillateurs à quartz multipliés. La puissance de sortie dépend de la taille du dispositif et de la polarisation; les unités typiques produisent de 10 milliwatts à plusieurs watts dans la bande micro-ondes. Ils souffrent de dérive de fréquence avec les fluctuations de température et de dégradation progressive du matériau semi-conducteur sous polarisation soutenue.

L'effet porte le nom de J. B. Gunn, qui l'a signalé pour la première fois en 1963 chez IBM. Il est en concurrence dans les conceptions modernes avec des sources à semi-conducteurs comme les oscillateurs commandés en tension (VCO) et les boucles à verrouillage de phase, mais reste précieux dans les applications où la simplicité, la robustesse et le coût importent plus que les métriques de performance, et où la bande de fréquences requise limite l'accès aux technologies alternatives.