Informe de Laboratorio de Microondas Universidad Nacional de Ingeniería

1. 1
“Estudio del Oscilador GUNN”
Andy Juan Sarango Veliz1, Rosario Elizabeth Lindo Pascual1 y Gerardo Andre Guerrero Saravia1
1Universidad Nacional de Ingenier´ıa, Facultad de Ingenier´ıa El´ectrica y Electr´onica - Per´u, Lima
Resumen—En el presente trabajo, explicaremos acerca de los
principios y el funcionamiento del Oscilador GUNN, el mismo
que se basa en el diodo GUNN, y por ende en el efecto que
lleva el mismo nombre. En la primera secci´on, explicar´e un
poco de las propiedades de la configuraci´on at´omica de algunos
materiales diel´ectricos como el Galio (Ga) y el Ars´enico (As),
los mismos que se utilizan para aplicaciones de semiconductores
como transistores. Posteriormente pasaremos a revisar conceptos
b´asicos referentes al diodo GUNN, as´ı como a algunas de sus
caracter´ısticas, para desarrollar el tema relacionado al efecto
GUNN, que es la base del oscilador GUNN. Finalmente se ver´a
algunas de las configuraciones t´ıpicas para la obtenci´on de un
oscilador Gunn dentro de cavidades resonantes.
Index Terms—LATEX, Microondas, Diodo GUNN, Gu´ıas de
Onda, Frecuencia de Corte y Cavidad Resonante.
I. OBJETIVOS
Determinar de la curva del diodo GUNN.
Hallar las frecuencias de corte y resonancia.
II. INTRODUCCI ´ON
LA generaci´on de frecuencias para el rango de microondas
se puede realizar de varias maneras, siendo las mas comu-
nes el uso del Klystron, Magnetr´on, sobre todo en aplicaciones
de grandes potencias, para otros fines lo mas com´un es el uso
de dispositivos de estado s´olido como los transistores de efecto
de campo de AsGa y diodos GUNN, sobretodo por su tama˜no
peque˜no y bajo consumo.
III. ESTADO DEL ARTE
III-A. Teor´ıa del diodo GUNN
III-A1. Configuraci´on At´omica de los semiconductores:
Al iniciar esta secci´on es importante mencionar que los tres
semiconductores m´as utilizados dentro de la electr´onica son:
Silicio, Germanio y Galio, debido a ciertas peculiaridades
de su estructura. Para ejemplificar esto vamos a tomar como
base el Silicio, el mismo que posee una estructura cristalina
tridimensional repetitiva en forma de tetraedro. [?]
Figura 1. Silicio - Si: 14
Al Ing. V´ıctor C´ordova Bernuy, un gran maestro para nosotros.
Un buen diel´ectrico tiene la propiedad de que los ´atomos
se asocian compartiendo, cediendo o aceptando electrones, de
otros ´atomos para completar los 8 electrones de su nivel m´as
externo (en el caso del silicio le hace falta 4 electrones).
Se da un enlace covalente cuando dos ´atomos comparten
varios electrones, para completar los 8 en su ´ultima capa, con
esto no se producen iones, aqu´ı es en donde entran en acci´on
los electrones de valencia ya que sirven como v´ınculo entre un
´atomo y el siguiente, dando como resultado que se encuentran
ligados fuertemente al n´ucleo. En un material conductor hay
disponibilidad de electrones de valencia, y a pesar de que
en el silicio tambi´en la hay (4 electrones), es poco probable
que ellos queden libres para producir la conducci´on por lo
ya se˜nalado. Generalmente a temperaturas bajas este tipo de
cristales se vuelven buenos semiconductores, ya que, al no
haber energ´ıa t´ermica, los electrones no pueden romper el
enlace, pero a temperaturas ambiente la energ´ıa t´ermica en
considerable, brind´andoles as´ı la energ´ıa necesaria para que
algunos de los enlaces se rompan, y se produzca una peque˜na
corriente, por esta raz´on este tipo de materiales se denominan
semiconductores. Cada electr´on que ha roto un enlace y que
est´a libre para moverse dentro del cristal, al liberarse genera
un hueco.
III-A2. Diodo Gunn: El diodo GUNN es una forma de
diodo usado en la electr´onica de alta frecuencia. A diferencia
de los diodos ordinarios construidos con regiones de dopaje
P o N, solamente tiene regiones del tipo N, raz´on por lo
que impropiamente se le conoce como diodo. Los diodos
GUNN son usados para construir osciladores en el rango de
frecuencias comprendido entre los 10Gigahertz y frecuencias
a´un m´as altas (hasta Terahertz).
El diodo GUNN se basa en el efecto GUNN, y ambos
se llama as´ı por el f´ısico JB Gunn quien, a IBM en 1962,
descubri´o el efecto porque se neg´o a aceptar los resultados
experimentales inconsistentes en el arseniuro de galio como
“ruido”, y rastre´o la causa. Alan Chynoweth, de los Labora-
torios Bell Telephone, en junio de 1965 mostr´o que s´olo un
mecanismo transferido-electr´on podr´ıa explicar los resultados
experimentales.
El diodo GUNN est´a basado en el descubrimiento de que
materiales semiconductores como el Arseniuro de Galio al ser
excitados con una tensi´on continua, genera frecuencias en el
espectro de las microondas, todo esto con la particularidad de
no usar contactos ´ohmicos.
Un diodo GUNN se obtiene a partir de mezclas de algunos
elementos para obtener otros compuestos como el Arseniuro
de Galio (GaAs), lo particular de este tipo de aleaciones
es que en sus bandas de energ´ıas presentan varios valles en
la banda de conducci´on. Cuando la tensi´on es fuerte en el

2. 2
compuesto, se produce la transferencia de electrones hacia la
banda de conducci´on, al m´ınimo m´as fuerte de la banda (el
valle de mayor energ´ıa). Existe una serie de detalles en cada
uno de estos valles, como por ejemplo al aumentar la energ´ıa
tambi´en aumenta la movilidad de los electrones, lo que a su
vez provoca que la masa efectiva de los electrones sea mayor
en los niveles energ´eticos superiores.
Figura 2. Diodo GUNN
En el gr´afico anterior podemos observar claramente que la
banda superior posee 2 valles y que la separaci´on entre los dos
valles corresponde a 0,36eV . Cuando la tensi´on aumenta, los
electrones pasan del valle inferior al superior, representando
esto en t´erminos de tensi´on versus corriente.
III-B. Funcionamiento del Oscilador GUNN
III-B1. Efecto GUNN: El efecto fue descubierto por John
B. Gunn en 1963. Este efecto es un instrumento eficaz para
la generaci´on de oscilaciones en el rango de las microondas
en los materiales semiconductores. Gunn observ´o esta carac-
ter´ıstica en el arseniuro de galio (GaAs) y el fosfuro de indio
(InP).
El efecto GUNN es una propiedad del cuerpo de los
semiconductores y no depende de la uni´on misma, ni de
los contactos, tampoco depende de los valores de tensi´on y
corriente y no es afectado por campos magn´eticos.
Cuando se aplica una peque˜na tensi´on continua a trav´es
de una placa delgada de arseniuro de galio, ´esta presenta
caracter´ısticas de resistencia negativa. Todo esto ocurre bajo
la condici´on de que el campo el´ectrico aplicado a la placa sea
mayor a los 3, 3 kilovoltios/cm. Si dicha placa es conectada
a una cavidad resonante, se producir´an oscilaciones y todo el
conjunto se puede utilizar como oscilador.
Este efecto s´olo se da en materiales tipo N (material con
exceso de electrones) y las oscilaciones se dan s´olo cuando
existe un campo el´ectrico. Estas oscilaciones corresponden
aproximadamente al tiempo que los electrones necesitan para
atravesar la placa de material tipo N cuando se aplica la
tensi´on continua.
Figura 3. El efecto GUNN
III-B2. Funcionamiento como resistencia negativa: El Ar-
seniuro de Galio (GaAs) es uno de los pocos materiales
semiconductores que en una muestra con dopado tipo N, tiene
una banda de energ´ıa vac´ıa m´as alta que la m´as elevada de las
que se encuentran ocupadas parcial o totalmente.
III-B3. Funcionamiento como resistencia positiva: Cuan-
do se aplica una tensi´on a la plaquita (tipo N) de Arseniuro de
Galio (GaAs), los electrones, que el material tiene en exceso,
circulan y producen una corriente al terminal positivo. Si se
aumenta la tensi´on, la velocidad de la corriente aumenta.
Figura 4. Funcionamiento del diodo GUNN
De esta manera una elevaci´on de la tensi´on en este elemento
causa una disminuci´on de la corriente. Eventualmente, la
tensi´on en la plaquita se hace suficiente para extraer electrones
de la banda de mayor energ´ıa y menor movilidad, por lo que
la corriente aumentar´a de nuevo con la tensi´on.
Figura 5. Caracteristicas Tensi´on vs Corriente

3. 3
La caracter´ıstica tensi´on contra corriente se parece mucho
a la del diodo Tunnel. La aplicaci´on m´as com´un es la del
oscilador GUNN.
III-C. Aplicaciones
III-C1. Oscilador Electr´onico A Frecuencias De Microon-
das Y Superiores: El componente de efecto GUNN funciona
como un oscilador en el que tiene lugar una transferencia de
electrones dentro de un cristal de arseniuro de galio (GaAs).
´Este es un diodo en el que no hay uni´on PN y que, por
lo tanto, no muestra el comportamiento caracter´ıstico de un
rectificador. En el componente de efecto GUNN se mueve
durante cada ciclo de la corriente oscilante una carga espacial
o campo el´ectrico a trav´es del material semiconductor desde
el c´atodo hacia el ´anodo. De esta manera el funcionamiento
va unido a un efecto de tiempo de tr´ansito. El diodo GUNN
va montado en una cavidad resonante y se emplea como
componente activo para la generaci´on de microondas. El os-
cilador GUNN puede entonces considerarse como un aparato
que transforma una corriente el´ectrica de baja intensidad en
energ´ıa de microondas. La frecuencia de oscilaci´on viene
determinada por las dimensiones f´ısicas (el volumen) de la
cavidad resonante.
III-C2. Sensores E Instrumentos De Medici´on: GUNN
osciladores diodos se utilizan para generar energ´ıa de microon-
das para: aerotransportado de radar anticolisi´on, frenos antiblo-
queo, sensores para monitorear el flujo de tr´afico, detectores
de radar coche, los sistemas de seguridad de los peatones,
“distancia recorrida”, grabadores, detectores de movimiento,
“sensores de baja velocidad”, controladores de sem´aforos,
puertas autom´aticas, puertas autom´aticas de tr´afico, equipos
de control de procesos para supervisar rendimiento, alarmas
antirrobo y equipos para detectar intrusos, los sensores para
evitar el descarrilamiento de trenes, detectores de vibraciones
a distancia, tac´ometros rotaci´on, monitores de humedad.
III-C3. El uso para Radio aficionados: En virtud de su
funcionamiento a baja tensi´on, los diodos GUNN pueden
servir como generadores de frecuencia de microondas para
transmisores de microondas muy baja potencia. A finales de
1970 estaban siendo utilizados por algunos radioaficionados
en Gran Breta˜na. Dise˜nos para transmisores fueron publicados
en revistas. Por lo general consist´ıan simplemente de una
gu´ıa de ondas de aproximadamente 3 pulgadas en el que
estaba montado el diodo. Una fuente de alimentaci´on de
corriente continua de baja tensi´on que podr´ıa ser modulada
adecuadamente se utiliza para conducir el diodo. La gu´ıa de
ondas se bloque´o en un extremo para formar una cavidad
resonante y el otro extremo idealmente alimentados con una
antena parab´olica.
IV. LABORATORIO A IMPLEMENTAR
IV-A. Oscilador GUNN
Consiste en una cavidad de alto Q con un diodo GUNN
en su interior, y un cortocircuito variable que determina
la frecuencia de oscilaci´on, siempre dentro de la banda X
(8, 5 – 10, 5 GHz). El diodo GUNN tiene una zona de
resistencia din´amica negativa, por lo que oscila.
Figura 6. Desarrollo del Laboratorio - Parte 1
Figura 7. Desarrollo del Laboratorio - Parte 2
Figura 8. Desarrollo del Laboratorio - Parte 3
IV-B. Fuente de alimentaci´on GUNN
Est´a dise˜nada para alimentar a un oscilador GUNN con
la necesaria potencia continua. Tambi´en est´a equipado con
una salida de una se˜nal de 1 KHz que puede usarse como
portadora para una posterior modulaci´on.

4. 4
Figura 9. Desarrollo del Laboratorio - Parte 4
Figura 10. Desarrollo del Laboratorio - Parte 5
Figura 11. Desarrollo del Laboratorio - Parte 6
IV-C. Aislador
Permite el paso de potencia de microondas en un sentido
casi sin atenuaci´on y lo impide en el sentido contrario. Trabaja
en el rango de frecuencias comprendido entre 8,5 y 9,6 GHz.
Se basa en la deformaci´on no reciproca que experimenta el
campo el´ectrico causada por una barra de ferrita magnetizada.
IV-D. Cable coaxial
Es un tipo de cable que se utiliza para transmitir se˜nales de
electricidad de alta frecuencia. Estos cables cuentan con un
par de conductores conc´entricos:
A.- El conductor vivo o central (dedicado a transportar los
datos).
B.- El conductor exterior, blindaje o malla (que act´ua como
retorno de la corriente y referencia de tierra).
Entre ambos se sit´ua el diel´ectrico, una capa aisladora.
IV-E. Frecuenc´ımetro
Es un instrumento que sirve para medir la frecuencia,
contando el n´umero de repeticiones de una onda en la misma
posici´on en un intervalo de tiempo mediante el uso de un
contador que acumula el n´umero de periodos. Dado que la
frecuencia se define como el n´umero de eventos de una clase
particular ocurridos en un per´ıodo, su medida es generalmente
sencilla.
V. PROCEDIMIENTO
Figura 12. Desarrollo del Laboratorio - Parte 7
VI. DESARROLLO
A.- Armar el circuito seg´un la la Figura 12. Seg´un la Figura
11 se realiz´o el armado de la experiencia.
B.- Con tensiones de 0 a 10 voltios entregados mediante la
fuente al oscilador GUNN, halle la corriente en mA, y
complete la tabla.
Datos en Laboratorio
Item Tensi´on (V ) Corriente (mA)
1 0 0
2 0.5 30
3 1 65
4 1.5 100
5 2 128
6 2.5 145
7 3 155
8 3.5 155
9 4 150
10 4.5 148
11 5 147
12 5.5 135
13 6 130
14 6.5 125
15 7 120
17 7.5 110
18 8 110
19 8.5 105
20 9 105
21 9.5 100

5. 5
Figura 13. Gr´afica V − I
C.- Hallar la potencia DC (V dc x Idc) con los valores
indicados en la tabla y graficarlos.
Datos en Laboratorio
Item Voltaje (V ) Potencia
1 0 0
2 0.5 15
3 1 65
4 1.5 150
5 2 256
6 2.5 362.5
7 3 465
8 3.5 542.5
9 4 600
10 4.5 666
11 5 735
12 5.5 742.5
13 6 780
14 6.5 812.5
15 7 840
17 7.5 825
18 8 880
19 8.5 892.5
20 9 945
21 9.5 950
Figura 14. Gr´afica V − Potencia
D.- Hallar la frecuencia de corte (fc) Nuestro laboratorio
est´a trabajado en una frecuencia de operaci´on de: f =
9 GHz.
fc10
=
C
2
m2
a2
+
n2
b2
(1)
a = 2,29 cm
b = 1,05 cm
Figura 15. Circuito de la experiencia
Reemplazamos y tendremos la siguiente frecuencia de
corte:
fc10 =
3 × 108
2
12
0,02292
+
02
0,01052
(2)
fc10
= 6,55 GHz
E.- Medir la profundidad de la gu´ıa (d). d = 0,0405
F.- Indicar seg´un tabla comercial, y seg´un las mediciones de
los lados a y b de la gu´ıa el tipo de gu´ıa de onda con
que se trabaja.
Figura 16. “Waveguide frequency bands and interior sizes”

6. 6
Figura 17. “Mechanical Specifications”
Figura 18. “MR-90”
Seg´un la tabla presentada con las medidas para gu´ıas de
ondas rectangulares corresponde a la WR − 90.
G.- Medir a y b de la gu´ıa de onda con un vernier.
Figura 19. Medici´on con vernier
a = 2,29 cm
b = 1,05 cm
H.- Hallar la frecuencia de resonancia (utilizando el fre-
cuenc´ımetro) para valores diferentes del valor de frecuen-
cia de la cavidad resonante GUNN y completar la tabla.
Datos en Laboratorio
Item
Frecuencia del resonador Valor de profundidad (d) Valores del frecuencimetro)
d1 d2 fL fC fH
1 8.5 GHz 4,39 5,15 8553 8556 8564
2 9 GHz 4,05 4,81 9064 9077 9091
3 9.5 GHz 3,78 4,54 9602 9605 9610
4 10 GHz 3,56 4,32 10051 10068 10079
5 10.5 GHz 3,39 4,15 10583 10594 10605
H.- Hallar la potencia DC (V dc x Idc) con los valores
indicados en la tabla y graficarlos.
Figura 20. Gr´afica I − Potencia
I.- Hallar la frecuencia de resonancia de la cavidad con los
valores medidos (a,b y d)
fr = 8,3869 GHz
VII. CONCLUSI ´ON
El descubrimiento del efecto GUNN, en materiales como
el GaAs, permite la generaci´on de microondas, mediante
el concepto de resistencia diferencial negativa para un
rango de frecuencias comprendidos entre 5 y 140 GHz.
Le energ´ıa que los electrones deben ganar para pasar de
un valle a otro es aproximadamente de 0,36 eV , esto
les permite moverse de un valle a otro y generar as´ı
dominios GUNN, y por tanto corrientes de oscilaci´on
de las microondas.
La corriente de oscilaci´on generada por los electrones es
amplificada, hasta llegar a un estado e la energ´ıa dentro
de la NDR sea igual a la disipada por la resistencia, esto
se puede entender mediante el concepto de resistencia
negativa.
No existe el concepto de resistencia negativa, debido a
que la resistencia est´atica es siempre positiva, lo que
existe es la resistencia diferencial negativa.
El fundamento b´asico para un oscilador GUNN es un
circuito RLC, el mismo que es modelado mediante el
uso de una cavidad resonante.
Los par´ametros fundamentales que determinan la oscila-
ci´on, son; el voltaje aplicado al cristal, la longitud del
semiconductor GaAs, y la frecuencia de oscilaci´on de la
cavidad resonante.
Se impide la oscilaci´on superior a la frecuencia deseada
debido a que la cavidad es muy peque˜na para conducirlas,
y de frecuencias inferiores debido a que el diodo es muy
lento para generarlas.