IMPATT диод - IMPATT diode

IMPATT диод ( ИМП действовать ионизации valanche Т ransit- Т IME диод) является формой мощного полупроводникового диода , используемого в высокочастотных СВЧ электронных устройств. Они имеют отрицательное сопротивление и используются в качестве генераторов и усилителей на сверхвысоких частотах. Они работают на частотах от 3 до 100 ГГц или выше. Главное преимущество - их высокая мощность; одиночные диоды IMPATT могут производить непрерывные микроволновые выходы до 3 киловатт и импульсные выходы гораздо большей мощности. Эти диоды используются в различных приложениях, от маломощных радарных систем до сигнализаторов приближения. Основным недостатком диодов IMPATT является высокий уровень фазового шума, который они генерируют. Это объясняется статистической природой лавинообразного процесса .

Структура устройства

Семейство диодов IMPATT включает в себя множество различных переходов и металлических полупроводниковых устройств . Первое колебание IMPATT было получено от простого кремниевого диода на p − n-переходе, смещенного в обратный лавинный пробой и установленного в микроволновом резонаторе. Из-за сильной зависимости коэффициента ионизации от электрического поля большая часть электронно-дырочных пар генерируется в области сильного поля. Сгенерированный электрон немедленно перемещается в N-область, а образовавшиеся дырки дрейфуют в P-области. Время, необходимое для того, чтобы отверстие достигло контакта, составляет задержку времени прохождения.

Первоначальное предложение микроволнового устройства типа IMPATT было сделано Ридом. Диод Рида состоит из двух областей (i) области лавины (области с относительно высоким уровнем допирования и сильного поля), в которой происходит лавинное умножение, и (ii) области дрейфа (области с существенно собственным легированием и постоянным полем), в которой образовавшиеся отверстия смещаются к контакту. Подобное устройство может быть построено с конфигурацией, в которой электроны, генерируемые в результате лавинного размножения, дрейфуют через собственную область.

IMPATT-диод обычно устанавливается в корпусе СВЧ. Диод устанавливается так, чтобы его низкопольная область находилась рядом с кремниевым радиатором, так что тепло, выделяемое на переходе диода, может легко рассеиваться. Подобные микроволновые пакеты используются для размещения других микроволновых устройств.

Диод IMPATT работает в узком частотном диапазоне, и внутренние размеры диода должны соответствовать желаемой рабочей частоте. Генератор IMPATT можно настраивать, регулируя резонансную частоту связанной цепи, а также изменяя ток в диоде; это может использоваться для частотной модуляции .

Принцип действия

Если свободный электрон с достаточной энергией ударяется об атом кремния, он может разорвать ковалентную связь кремния и освободить электрон от ковалентной связи. Если высвободившийся электрон получает энергию, находясь в электрическом поле, и освобождает другие электроны от других ковалентных связей, тогда этот процесс может очень быстро перерасти в цепную реакцию, производя большое количество электронов и большой ток. Это явление называется лавинным пробоем.

При пробое n– область пробивается и образует лавинную область диода. Область с высоким сопротивлением - это дрейфовая зона, через которую электроны, генерируемые лавиной, движутся к аноду.

Рассмотрим смещение постоянного тока V B , немного меньшее, чем требуется для пробоя, приложенное к диоду. Пусть на смещение постоянного тока накладывается переменное напряжение достаточно большой величины, так что во время положительного цикла переменного напряжения диод загоняется глубоко в лавинный пробой. При t = 0 переменное напряжение равно нулю, и через диод протекает только небольшой ток перед пробоем. С увеличением t напряжение превышает напряжение пробоя, и вторичные электронно-дырочные пары образуются за счет ударной ионизации. Пока поле в области лавины поддерживается выше поля пробоя, электронно-дырочная концентрация растет экспоненциально с увеличением t. Точно так же эта концентрация экспоненциально спадает со временем, когда поле уменьшается ниже напряжения пробоя во время отрицательного размаха переменного напряжения. Дырки, образовавшиеся в области лавины, исчезают в области p + и собираются катодом. Электроны инжектируются в i-зону, где они дрейфуют в сторону n + -области. Затем поле в области лавины достигает максимального значения, и заселенность электронно-дырочных пар начинает расти. В это время коэффициенты ионизации имеют максимальные значения. Генерируемая концентрация электронов не следует за электрическим полем мгновенно, потому что она также зависит от количества электронно-дырочных пар, уже присутствующих в области лавины. Следовательно, концентрация электронов в этой точке будет иметь небольшое значение. Даже после того, как поле перешло свое максимальное значение, электронно-дырочная концентрация продолжает расти, поскольку скорость генерации вторичных носителей все еще остается выше своего среднего значения. По этой причине концентрация электронов в области лавины достигает максимального значения, когда поле падает до среднего значения. Таким образом, ясно, что область лавины вносит сдвиг фазы на 90 ° между сигналом переменного тока и концентрацией электронов в этой области.

При дальнейшем увеличении t переменное напряжение становится отрицательным, а поле в области лавины падает ниже критического значения. Электроны в зоне лавины затем вводятся в зону дрейфа, что индуцирует ток во внешней цепи, фаза которой противоположна фазе переменного напряжения. Таким образом, поле переменного тока поглощает энергию дрейфующих электронов, когда они тормозятся уменьшающимся полем. Ясно, что идеальный фазовый сдвиг между током диода и сигналом переменного тока достигается, если толщина дрейфовой зоны такова, что сгусток электронов собирается на n + - аноде в момент, когда напряжение переменного тока стремится к нулю. Это условие достигается тем, что длина дрейфовой области равна длине волны сигнала. В этой ситуации возникает дополнительный фазовый сдвиг на 90 ° между напряжением переменного тока и током диода.

Происхождение

В 1956 году У. Т. Рид и Ральф Л. Джонстон из Bell Telephone Laboratories предположили, что лавинный диод, который демонстрирует значительную временную задержку прохождения, может иметь отрицательную характеристику сопротивления . Эффект вскоре был продемонстрирован в обычных кремниевых диодах, и к концу 1960-х годов были созданы генераторы на частоте 340 ГГц. Кремниевые IMPATT-диоды могут непрерывно производить до 3 киловатт мощности, при этом более высокая мощность доступна в импульсах.

ТРАПАТТ

Устройство СВЧ-генератора с похожей структурой на диод IMPATT - это диод TRAPATT, что означает «прохождение захваченной плазмы, вызванное лавиной». Этот режим работы обеспечивает относительно высокую мощность и эффективность, но при более низкой частоте, чем устройство, работающее в режиме IMPATT.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Томас Х. Ли Планарная микроволновая инженерия: Практическое руководство по теории, измерениям и схемам Cambridge University Press 2004, ISBN  0521835267 , стр. 296
  2. ^ Ситеш Кумар Рой, Monojit Mitra, Microwave Semiconductor Devices PHI Learning Pvt. Ltd., 2003 г., ISBN  8120324188 , стр. 86

дальнейшее чтение

  • Д. Кристиансен, К. К. Александер и Р. К. Юрген (ред.) Стандартный справочник по электронной инженерии (5-е издание). Макгроу Хилл. п. 11.107–11.110 (2005). ISBN  0-07-138421-9 .
  • MS Gupta: Эквивалентная схема большого сигнала для определения характеристик IMPATT-диодов и ее применение в усилителях . 689–694 (ноябрь 1973 г.). Теория и методы микроволнового излучения. Объем транзакций IEEE : 21. Выпуск: 11. ISSN 0018-9480
  • Р.Л. Джонстон, Б.К. ДеЛоч младший и Б.Г. Коэн: кремниевый диодный осциллятор . Технический журнал Bell System. 44 , 369 (1965)
  • Х. Комизо, Я. Ито, Х. Ашида, М. Шинода: CW IMPATT-диодный усилитель мощностью 0,5 Вт для высокопроизводительного FM-радиорелейного оборудования на частоте 11 ГГц . 14–20 (февраль 1973 г.). Журнал IEEE Том: 8. Выпуск: 1. ISSN 0018-9200
  • W.T. Рид младший, Предлагаемый высокочастотный диод с отрицательным сопротивлением, Bell System Technical Journal, 37 , 401 (1958).
  • SM Sze: Физика полупроводниковых приборов . второе издание. Джон Вили и сыновья. 566–636 (1981). ISBN  0-471-05661-8
  • М.С. Тяги : Введение в полупроводниковые материалы и приборы . Джон Вили и сыновья. 311–320 (1991). ISBN  0-471-60560-3