УДАРНЫЙ диод

Диод IMPATT (лавинно-проходной диод с ударной ионизацией) представляет собой разновидность мощного полупроводникового диода, используемого в устройствах высокочастотной микроволновой электроники. Они имеют отрицательное сопротивление и используются в качестве генераторов и усилителей микроволновых частот. Они работают на частотах около 3 и 100 ГГц и выше. Основным преимуществом является их высокая мощность; одиночные диоды IMPATT могут производить непрерывную микроволновую мощность до 3 киловатт и импульсную мощность гораздо большей мощности. Эти диоды используются в различных приложениях: от радиолокационных систем малой мощности до сигнализаций приближения. Основным недостатком диодов IMPATT является высокий уровень генерируемого ими фазового шума . Это обусловлено статистическим характером лавинного процесса .

Структура устройства

Семейство диодов IMPATT включает множество различных переходов и металлических полупроводниковых приборов . Первое IMPATT-колебание было получено с помощью простого кремниевого диода с p–n-переходом, смещенного на 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 область N, а образовавшиеся дырки дрейфуют через область P. Время, необходимое для того, чтобы отверстие достигло контакта, представляет собой задержку времени прохождения.

Оригинальное предложение по СВЧ-прибору типа ИМПАТТ было сделано Ридом. Диод Рида состоит из двух областей (1) лавинной области (области с относительно высоким легированием и сильным полем), в которой происходит лавинное размножение, и (2) дрейфовой области (области с существенно собственным легированием и постоянным полем), в которой образовавшиеся дырки дрейфуют в сторону контакта. Аналогичное устройство можно построить в конфигурации, в которой электроны, генерируемые в результате лавинного умножения, дрейфуют через собственную область.

Диод IMPATT обычно устанавливается в СВЧ-корпусе. Диод монтируется так, чтобы его область слабого поля находилась рядом с кремниевым радиатором , чтобы тепло, выделяемое на диодном переходе, могло легко рассеиваться. Подобные микроволновые корпуса используются для размещения других микроволновых устройств.

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

Принцип работы

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 высвобождает другие электроны из других ковалентных связей, тогда этот процесс может очень быстро перерасти в цепную реакцию, производящую большое количество электронов и большой ток. Это явление называется лавинным пробой.

При пробое область n– пробивается и образует лавинную область диода. Область высокого сопротивления представляет собой зону дрейфа, через которую генерируемые лавиной электроны движутся к аноду.

Рассмотрим постоянное смещение V _B , приложенное к диоду, чуть меньше того, которое необходимо для возникновения пробоя. Пусть на постоянное смещение накладывается переменное напряжение достаточно большой величины, так что во время положительного цикла переменного напряжения диод глубоко погружается в лавинный пробой. При t=0 переменное напряжение равно нулю, и через диод протекает лишь небольшой предпробойный ток. По мере увеличения t напряжение превышает напряжение пробоя, и в результате ударной ионизации образуются вторичные электронно-дырочные пары. Пока поле в лавинной области поддерживается выше поля пробоя, концентрация электронов и дырок растет экспоненциально с t. Аналогичным образом, эта концентрация экспоненциально убывает со временем, когда поле снижается ниже напряжения пробоя во время отрицательного качания переменного напряжения. Дырки, образующиеся в лавинной области, исчезают в p+-области и собираются катодом. Электроны инжектируются в зону i –, где они дрейфуют в область n+. Затем поле в лавинной области 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, поскольку она также зависит от количества электронно-дырочных пар, уже присутствующих в лавинной области. Следовательно, концентрация электронов в этой точке будет иметь небольшую величину. Даже после того, как поле прошло максимальное значение, концентрация электронов и дырок продолжает расти, поскольку скорость генерации вторичных носителей все еще остается выше среднего значения. По этой причине концентрация электронов в лавинной области достигает максимального значения, когда поле падает до среднего значения. Таким образом, ясно, что лавинная область вносит фазовый сдвиг на 90° между сигналом переменного тока и концентрацией электронов в этой области.

При дальнейшем увеличении t переменное напряжение становится отрицательным, а поле в лавинной области падает ниже критического значения. Электроны из лавинной области затем инжектируются в зону дрейфа, что индуцирует во внешней цепи ток, фаза которого противоположна фазе переменного напряжения. Таким образом, поле переменного тока поглощает энергию дрейфующих электронов, поскольку они замедляются уменьшающимся полем. Понятно, что идеальный сдвиг фаз между диодным током и переменным сигналом достигается, если толщина дрейфовой зоны такова, что сгусток электронов собирается на уровне n ⁺ – анода в момент перехода переменного напряжения в ноль. Это условие достигается за счет того, что длину области дрейфа делают равной длине волны сигнала. Эта ситуация приводит к дополнительному сдвигу фазы на 90° между переменным напряжением и током диода.

Происхождение

В 1956 году У.Т. Рид и Ральф Л. Джонстон из Bell Telephone Laboratories предположили, что лавинный диод, демонстрирующий значительную задержку времени прохождения, может иметь характеристику отрицательного сопротивления . Вскоре эффект был продемонстрирован на обычных кремниевых диодах, а к концу 1960-х годов были созданы генераторы на частоте 340 ГГц. Кремниевые IMPATT-диоды могут непрерывно вырабатывать мощность до 3 киловатт, причем более высокая мощность доступна в импульсах. ^[1]

ТРАПАТТ

Устройство микроволнового генератора со структурой, аналогичной диоду IMPATT, представляет собой диод TRAPATT, что означает «проход, вызванный лавиной захваченной плазмы». Этот режим работы обеспечивает относительно высокую мощность и эффективность, но на более низкой частоте, чем устройство, работающее в режиме IMPATT. ^[2]

См. также

Ссылки

^ Томас Х. Ли Планарная микроволновая техника: Практическое руководство по теории, измерениям и схемам Cambridge University Press 2004, ISBN 0521835267 , стр. 296
^ Ситеш Кумар Рой, Моноджит Митра, Microwave Semiconductor Devices PHI Learning Pvt. ООО, 2003 г., ISBN 8120324188 , стр. 86

Дальнейшее чтение

Д. Кристиансен, К. К. Александр и Р. К. Юрген (ред.) Стандартный справочник по электронной технике (5-е издание). МакГроу Хилл. п. 11.107–11.110 (2005). ISBN 0-07-138421-9 .
М. С. Гупта: Эквивалентная схема с большим сигналом для определения характеристик IMPATT-диода и ее применение в усилителях . 689–694 (ноябрь 1973 г.). Микроволновая теория и техника. Объем транзакций IEEE : 21. Выпуск: 11. ISSN 0018-9480.
Р.Л. Джонстон, Б.С. ДеЛоуч-младший и Б.Г. Коэн: Генератор на кремниевом диоде . Технический журнал Bell System. 44 , 369 (1965)
Х. Комизо, Ю. Ито, Х. Ашида, М. Шинода: Диодный усилитель CW IMPATT мощностью 0,5 Вт для высокопроизводительного FM-радиорелейного оборудования 11 ГГц . 14–20 (февраль 1973 г.). Том журнала IEEE : 8. Выпуск: 1. ISSN 0018-9200.
В. Т. Рид-младший, Предлагаемый высокочастотный диод с отрицательным сопротивлением, Bell System Технический журнал, 37 , 401 (1958).
С.М. Зе: Физика полупроводниковых приборов . второе издание. Джон Уайли и сыновья. 566–636 (1981). ISBN 0-471-05661-8
М.С. Тьяги : Введение в полупроводниковые материалы и устройства . Джон Уайли и сыновья. 311–320 (1991). ISBN 0-471-60560-3

[1] Томас Х. Ли Планарная микроволновая техника: Практическое руководство по теории, измерениям и схемам Cambridge University Press 2004, ISBN 0521835267 , стр. 296

[2] Ситеш Кумар Рой, Моноджит Митра, Microwave Semiconductor Devices PHI Learning Pvt. ООО, 2003 г., ISBN 8120324188 , стр. 86

[1]

[2]