ثنائي غان

ثنائي غان ، المعروف أيضًا باسم جهاز نقل الإلكترون ( TED )، هو نوع من الثنائيات ، وهو مكون إلكتروني شبه موصل ذو طرفين ، يتميز بمقاومة تفاضلية سالبة ، ويُستخدم في الإلكترونيات عالية التردد . يعتمد هذا الثنائي على "تأثير غان" الذي اكتشفه الفيزيائي جيه بي غان عام 1962. وتتمثل استخداماته الرئيسية في المذبذبات الإلكترونية لتوليد الموجات الميكروية ، وفي تطبيقات مثل أجهزة قياس سرعة الرادار ، وأجهزة إرسال وصلات بيانات الموجات الميكروية ، وأجهزة فتح الأبواب الأوتوماتيكية.

يختلف تركيبها الداخلي عن الثنائيات الأخرى، إذ تتكون فقط من مادة شبه موصلة مطعمة بالنيتروجين (N) ، بينما تتكون معظم الثنائيات من مناطق مطعمة بالنيتروجين والفوسفور. ولذلك، فهي موصلة في كلا الاتجاهين ولا تستطيع تقويم التيار المتردد مثل الثنائيات الأخرى، ولهذا السبب لا تستخدم بعض المصادر مصطلح "ثنائي" بل تفضل مصطلح "ثنائي باعث للتيار" (TED). في ثنائي غان، توجد ثلاث مناطق: اثنتان مطعمتان بشدة بالنيتروجين على كل طرف، مع طبقة رقيقة من مادة مطعمة بشكل طفيف بالنيتروجين بينهما. عند تطبيق جهد كهربائي على الجهاز، يكون التدرج الكهربائي أكبر ما يمكن عبر الطبقة الوسطى الرقيقة. إذا زاد الجهد، سيزداد تيار الطبقة أولًا. ومع ذلك، في النهاية، عند قيم مجال أعلى، تتغير الخصائص الموصلة للطبقة الوسطى، مما يزيد مقاومتها ويؤدي إلى انخفاض التيار. هذا يعني أن ثنائي غان يحتوي على منطقة مقاومة تفاضلية سالبة في منحنى خصائص التيار-الجهد ، حيث تؤدي زيادة الجهد المطبق إلى انخفاض التيار. تسمح هذه الخاصية له بالتضخيم ، حيث يعمل كمضخم ترددات الراديو، أو أن يصبح غير مستقر ويتذبذب عند تحيزه بجهد تيار مستمر.

تُعزى أهم استخدامات الثنائي إلى مقاومته التفاضلية السالبة، بالإضافة إلى خصائص التوقيت للطبقة الوسطى، وذلك في المذبذبات الإلكترونية عند ترددات الميكروويف وما فوقها. يُمكن إنشاء مذبذب ميكروويف ببساطة عن طريق تطبيق جهد مستمر لتحيز الجهاز في منطقة مقاومته السالبة. في الواقع، تلغي المقاومة التفاضلية السالبة للثنائي المقاومة الموجبة لدائرة الحمل، مما يُنشئ دائرة ذات مقاومة تفاضلية صفرية، تُنتج تذبذبات تلقائية. يتحدد تردد التذبذب جزئيًا بخصائص الطبقة الوسطى للثنائي، ولكن يُمكن ضبطه بواسطة عوامل خارجية. في المذبذبات العملية، يُضاف عادةً رنان إلكتروني للتحكم في التردد على شكل دليل موجي ، أو تجويف ميكروويف ، أو كرة YIG . يُركّب الثنائي عادةً داخل التجويف. يلغي الثنائي مقاومة الفقد للرنان، مُنتجًا تذبذبات عند تردده الرنيني . يمكن ضبط التردد ميكانيكيًا، عن طريق تعديل حجم التجويف، أو في حالة كرات YIG، عن طريق تغيير المجال المغناطيسي . تُستخدم ثنائيات غان لبناء مذبذبات في نطاق التردد من 10 جيجاهرتز إلى تيراهيرتز .

تُصنع ثنائيات غان المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم  لترددات تصل إلى 200 جيجاهرتز، بينما يمكن أن تصل مواد نتريد الغاليوم إلى 3 تيراهيرتز . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

يعتمد ثنائي غان على تأثير غان، وكلاهما سُمّي نسبةً إلى الفيزيائي جيه بي غان . اكتشف غان هذا التأثير في شركة آي بي إم عام 1962، بعد أن رفض اعتبار النتائج التجريبية غير المتسقة في زرنيخيد الغاليوم مجرد "ضوضاء"، وحدد سببها. وفي يونيو 1965، أظهر آلان تشينويث من مختبرات بيل للهاتف أن آلية نقل الإلكترون هي الآلية الوحيدة القادرة على تفسير النتائج التجريبية. ^{[ 3 ]} ثم تبيّن أن التذبذبات التي رصدها تُفسَّر بنظرية ريدلي-واتكينز-هيلسوم ، نسبةً إلى الفيزيائيين البريطانيين برايان ريدلي ، وتوم واتكينز، وسيريل هيلسوم، الذين أثبتوا في أوراق علمية عام 1961 أن أشباه الموصلات الصلبة قد تُظهر مقاومة سالبة ، أي أن زيادة الجهد المطبق تؤدي إلى انخفاض التيار .

دخل تأثير غان وعلاقته بتأثير واتكينز-ريدلي-هيلسوم إلى أدبيات الإلكترونيات في أوائل سبعينيات القرن العشرين، على سبيل المثال، في كتب عن أجهزة نقل الإلكترون ^{[ 4 ]} ، ومؤخراً، في طرق الموجات غير الخطية لنقل الشحنة. ^{[ 5 ]}

تحتوي البنية الإلكترونية لبعض مواد أشباه الموصلات ، بما في ذلك زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، على نطاق طاقة إضافي أو نطاق فرعي، إلى جانب نطاقي التكافؤ والتوصيل اللذين يُحددان مادة شبه الموصل، ويُستغل هذا النطاق في تصميم أجهزة أشباه الموصلات . يقع هذا النطاق الثالث (وقد يكون هناك أكثر من نطاق) عند طاقة أعلى من نطاق التوصيل العادي، ويكون عادةً فارغًا عند درجة حرارة الغرفة إلى أن يتم تزويده بالطاقة اللازمة لنقل الإلكترونات إليه. تأتي هذه الطاقة من الطاقة الحركية للإلكترونات الباليستية ، أي الإلكترونات الموجودة في نطاق التوصيل ولكنها تتحرك بطاقة حركية كافية تمكنها من الوصول إلى النطاق الأعلى. عادةً ما يتم توفير هذه الطاقة الحركية الإضافية بواسطة مجال كهربائي يُطبق خارجيًا على الجهاز.

تبدأ هذه الإلكترونات إما من مستوى أدنى من مستوى فيرمي، ويُمنح لها مسار حر متوسط ​​طويل بما يكفي لاكتساب الطاقة اللازمة بتطبيق مجال كهربائي قوي، أو تُحقن بواسطة مهبط ذي طاقة مناسبة. عند تطبيق جهد أمامي، ينتقل مستوى فيرمي في المهبط إلى النطاق الثالث، ويتم تقليل انعكاسات الإلكترونات الباليستية التي تبدأ من مستوى فيرمي تقريبًا عن طريق مطابقة كثافة الحالات واستخدام طبقات الواجهة الإضافية للسماح للموجات المنعكسة بالتداخل الهدام.

في زرنيخيد الغاليوم، تكون الكتلة الفعالة للإلكترونات في النطاق الثالث أعلى من كتلتها في نطاق التوصيل المعتاد، لذا تكون حركية الإلكترونات أو سرعة انجرافها في هذا النطاق أقل. مع ازدياد الجهد الأمامي، يصل عدد أكبر من الإلكترونات إلى نطاق الطاقة الأعلى، مما يؤدي إلى تباطؤ حركتها (على الرغم من امتلاكها طاقات أعلى)، وبالتالي ينخفض ​​التيار المار عبر الجهاز. ينتج عن ذلك منطقة مقاومة تفاضلية سالبة في منحنى العلاقة بين الجهد والتيار.

عند تطبيق جهد عالٍ كافٍ على الثنائي، يصبح تركيز حاملات الشحنة على طول المهبط غير مستقر، فتتشكل أجزاء صغيرة ذات موصلية منخفضة، بينما يتمتع باقي المهبط بموصلية عالية. يحدث معظم انخفاض جهد المهبط عبر هذه الأجزاء، مما يؤدي إلى مجال كهربائي قوي. تحت تأثير هذا المجال، تتحرك هذه الأجزاء على طول المهبط باتجاه المصعد. من المستحيل تحقيق توازن في كثافة حاملات الشحنة بين نطاقي الجهد، لذا ستكون هناك دائمًا شرائح رقيقة ذات مجال كهربائي قوي في خلفية ذات مجال كهربائي ضعيف. عمليًا، مع زيادة طفيفة في الجهد الأمامي، تتشكل شريحة ذات موصلية منخفضة عند المهبط، وتزداد المقاومة، ثم تتحرك هذه الشريحة على طول المهبط باتجاه المصعد، وعند وصولها إليه، تُمتص، وتتشكل شريحة جديدة عند المهبط للحفاظ على ثبات الجهد الكلي. تُخمد أي شريحة موجودة إذا انخفض الجهد وانخفضت المقاومة مرة أخرى.

في هذا السياق، تلعب الإلكترونات الباليستية - تلك التي تتحرك بأقل قدر من التشتت - دورًا حاسمًا. إذ يمكنها التحرك عبر أشباه الموصلات بمسار حر متوسط ​​طويل، مما يمنحها الطاقة اللازمة للانتقال إلى مستويات الطاقة الأعلى.

تشمل الطرق المختبرية المستخدمة لاختيار المواد لتصنيع ثنائيات غان مطيافية الانبعاث الضوئي المعتمدة على الزاوية .

نظرًا لقدرتها على العمل بترددات عالية، تُستخدم ثنائيات غان بشكل أساسي في نطاق ترددات الميكروويف وما فوقها. فهي قادرة على إنتاج أعلى قدرة خرج بين أشباه الموصلات عند هذه الترددات. يُستخدم هذا النوع من الثنائيات بشكل شائع في المذبذبات ، ولكنه يُستخدم أيضًا في مضخمات الميكروويف لتضخيم الإشارات. ولأن الثنائي عبارة عن جهاز أحادي المنفذ (طرفين)، يجب على دائرة التضخيم فصل الإشارة المُضخمة الخارجة عن إشارة الدخل الداخلة لمنع التداخل. إحدى الدوائر الشائعة هي دائرة التضخيم الانعكاسي التي تفصل الإشارات باستخدام مُوزِّع دائري . يلزم وجود مُوَصِّل انحياز لعزل تيار الانحياز عن التذبذبات عالية التردد.