Dioda IMPATT

Dioda IMPATT (uderzeniowa dioda czasu przejścia lawiny lawinowej) jest formą diody półprzewodnikowej dużej mocy, stosowanej w mikrofalowych urządzeniach elektronicznych o wysokiej częstotliwości . Mają ujemną rezystancję i są używane jako oscylatory i wzmacniacze przy częstotliwościach mikrofalowych. Działają na częstotliwościach około 3 i 100 GHz lub wyższych. Główną zaletą jest ich duża moc; pojedyncze diody IMPATT mogą wytwarzać ciągłe mikrofale o mocy do 3 kilowatów i impulsy o znacznie większej mocy. Diody te są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, od radarowych małej mocy po alarmy zbliżeniowe. Główną wadą diod IMPATT jest wysoki poziom generowanych przez nie szumów fazowych . Wynika to ze statystycznego charakteru procesu lawinowego .

Struktura urządzenia

Rodzina diod IMPATT obejmuje wiele różnych złączy i metalowych elementów półprzewodnikowych . Pierwszą oscylację IMPATT uzyskano z prostej krzemowej łączącej p–n, spolaryzowanej w celu odwrócenia lawiny i zamontowanej we wnęce mikrofalowej. Ze względu na silną zależność współczynnika jonizacji od pola elektrycznego, większość par elektron-dziura jest generowana w obszarze wysokiego pola. Wygenerowany elektron natychmiast przemieszcza się do obszaru N, podczas gdy wygenerowane dziury dryfują po obszarze P. Czas potrzebny do dotarcia otworu do kontaktu stanowi opóźnienie czasowe przejścia.

Oryginalną propozycję urządzenia mikrofalowego typu IMPATT przedstawił Read. Dioda Read składa się z dwóch obszarów (1) obszaru lawinowego (obszar o stosunkowo wysokim domieszkowaniu i dużym polu), w którym zachodzi multiplikacja lawinowa oraz (2) obszaru dryfu (obszar z zasadniczo wewnętrznym domieszkowaniem i stałym polem), w którym wygenerowane dziury dryfują w kierunku styku. Podobne urządzenie można zbudować z konfiguracją, w której elektrony generowane w wyniku multiplikacji lawinowej dryfują przez obszar wewnętrzny.

Dioda IMPATT jest zwykle montowana w obudowie mikrofalowej. Dioda jest montowana tak, aby obszar niskiego pola znajdował się blisko krzemowego radiatora , dzięki czemu ciepło wytwarzane na złączu diody może być łatwo rozpraszane. Podobne opakowania mikrofalowe są używane do przechowywania innych urządzeń mikrofalowych.

Dioda IMPATT działa w wąskim paśmie częstotliwości, a wymiary wewnętrzne diody muszą być skorelowane z żądaną częstotliwością roboczą. Oscylator IMPATT można dostroić, regulując częstotliwość rezonansową sprzężonego obwodu, a także zmieniając prąd w diodzie; można to wykorzystać do modulacji częstotliwości .

Zasada działania

Jeśli swobodny elektron o wystarczającej energii uderzy w atom krzemu, może zerwać wiązanie kowalencyjne krzemu i uwolnić elektron z wiązania kowalencyjnego. Jeśli uwolniony elektron zyskuje energię przebywając w polu elektrycznym i uwalnia inne elektrony z innych wiązań kowalencyjnych, wówczas proces ten może bardzo szybko przejść kaskadowo w reakcję łańcuchową, wytwarzając dużą liczbę elektronów i duży przepływ prądu. Zjawisko to nazywane jest załamaniem lawinowym.

W momencie awarii obszar n– jest przebijany i tworzy obszar lawinowy diody. Obszar o wysokiej rezystywności to strefa dryfu, przez którą elektrony generowane przez lawinę przemieszczają się w kierunku anody.

Rozważmy polaryzację DC V _B , niewiele mniejszą niż wymagana do spowodowania awarii, przyłożoną do diody. Niech napięcie prądu zmiennego o wystarczająco dużej wartości zostanie nałożone na polaryzację prądu stałego, tak że podczas dodatniego cyklu napięcia prądu przemiennego dioda zostanie wprowadzona głęboko w przebicie lawinowe. W chwili t=0 napięcie prądu zmiennego wynosi zero, a przez diodę przepływa tylko niewielki prąd przed przebiciem. Gdy t wzrasta, napięcie przekracza napięcie przebicia, a wtórne pary elektron-dziura są wytwarzane przez jonizację uderzeniową. Dopóki pole w obszarze lawinowym utrzymuje się powyżej pola przebicia, stężenie elektron-dziura rośnie wykładniczo wraz z t. Podobnie stężenie to maleje wykładniczo w czasie, gdy pole zmniejsza się poniżej napięcia przebicia podczas ujemnego wahania napięcia AC. Dziury powstałe w obszarze lawinowym znikają w obszarze p+ i są zbierane przez katodę. Elektrony są wstrzykiwane do strefy i –, gdzie dryfują w kierunku regionu n+. Wtedy pole w obszarze lawinowym osiąga swoją maksymalną wartość i zaczyna narastać populacja par elektron-dziura. W tym czasie współczynniki jonizacji osiągają swoje maksymalne wartości. Wygenerowane stężenie elektronów nie podąża natychmiast za polem elektrycznym, ponieważ zależy również od liczby par elektron-dziura już obecnych w regionie lawinowym. Stąd stężenie elektronów w tym punkcie będzie miało małą wartość. Nawet po tym, jak pole przekroczy swoją maksymalną wartość, koncentracja elektron-dziura nadal rośnie, ponieważ szybkość generowania nośników wtórnych nadal pozostaje powyżej swojej średniej wartości. Z tego powodu stężenie elektronów w obszarze lawinowym osiąga maksymalną wartość, gdy pole spada do wartości średniej. Jest zatem jasne, że obszar lawinowy wprowadza przesunięcie fazowe o 90° między sygnałem AC a stężeniem elektronów w tym obszarze.

Przy dalszym wzroście t napięcie AC staje się ujemne, a pole w rejonie lawinowym spada poniżej wartości krytycznej. Elektrony w obszarze lawinowym są następnie wstrzykiwane do strefy dryfu, która indukuje prąd w obwodzie zewnętrznym, który ma fazę przeciwną do napięcia AC. Dlatego pole AC pochłania energię z dryfujących elektronów, gdy są one spowalniane przez malejące pole. Oczywiste jest, że idealne przesunięcie fazowe między prądem diody a sygnałem AC jest osiągane, jeśli grubość strefy dryfu jest taka, że ​​wiązka elektronów jest zbierana w punkcie n ⁺ – anoda w momencie, gdy napięcie AC spada do zera. Warunek ten osiąga się przez zrównanie długości obszaru dryfu z długością fali sygnału. Ta sytuacja powoduje dodatkowe przesunięcie fazowe o 90° między napięciem przemiennym a prądem diody.

Pochodzenie

W 1956 roku WT Read i Ralph L. Johnston z Bell Telephone Laboratories zaproponowali, że dioda lawinowa, która wykazywała znaczne opóźnienie czasowe przejścia, może wykazywać ujemną charakterystykę rezystancji . Efekt ten został wkrótce zademonstrowany w zwykłych diodach krzemowych, a pod koniec lat 60. wyprodukowano oscylatory o częstotliwości 340 GHz. Diody krzemowe IMPATT mogą w sposób ciągły wytwarzać do 3 kilowatów mocy, przy czym większa moc jest dostępna w impulsach.

TRAPATT

Urządzeniem oscylatora mikrofalowego o strukturze podobnej do diody IMPATT jest dioda TRAPATT, co oznacza „uwięziony lawinowy tranzyt wyzwalany plazmą”. Ten tryb pracy wytwarza stosunkowo dużą moc i wydajność, ale przy niższej częstotliwości niż urządzenie pracujące w trybie IMPATT.

Zobacz też

• dioda BARITT
• Dioda Gunna
• Dioda tunelowa

Dalsza lektura

•   D. Christiansen, CK Alexander i RK Jurgen (red.) Standard Handbook of Electronic Engineering (5. wydanie). Wzgórze McGrawa. P. 11.107-11.110 (2005). ISBN 0-07-138421-9 .
• MS Gupta: Równoważny obwód dużego sygnału do charakteryzacji diody IMPATT i jego zastosowanie we wzmacniaczach . 689–694 (listopad 1973). Teoria i techniki mikrofalowe . IEEE : 21. Wydanie: 11. ISSN 0018-9480
• RL Jonston, BC DeLoach Jr. i BG Cohen: Oscylator z diodą krzemową . Dziennik techniczny systemu Bell. 44 , 369 (1965)
• H. Komizo, Y. Ito, H. Ashida, M. Shinoda: Wzmacniacz diodowy CW IMPATT o mocy 0,5 W do sprzętu radiowego FM o dużej pojemności 11 GHz . 14–20 (luty 1973). IEEE Journal Tom: 8. Wydanie: 1. ISSN 0018-9200
• W.T. Read, Jr., Proponowana dioda o wysokiej częstotliwości i ujemnej rezystancji, Bell System Technical Journal, 37 , 401 (1958).
•   SM Sze: Fizyka urządzeń półprzewodnikowych . Druga edycja. John Wiley & Synowie. 566-636 (1981). ISBN 0-471-05661-8
•   MS Tyagi : Wprowadzenie do materiałów i urządzeń półprzewodnikowych . John Wiley & Synowie. 311–320 (1991). ISBN 0-471-60560-3