IMPATT диод - IMPATT diode - Wikipedia

An IMPATT диод (IMPдействовать ионизация Аваланша Тransit-Тime диод) представляет собой форму мощного полупроводник диод используется в высокочастотных микроволновая печь электронные устройства. У них есть отрицательное сопротивление и используются как генераторы и усилители на микроволновых 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 во множестве приложений от маломощных радар системы сигнализации приближения. Основным недостатком диодов IMPATT является высокий уровень фазовый шум они производят. Это следует из статистической природы лавинообразный процесс.

Структура устройства

Семейство диодов IMPATT включает в себя множество различных перекрестки и металл полупроводниковые приборы. Первое колебание IMPATT было получено из простого кремниевого p – n переход диод, смещенный в обратную лавину, пробивается и устанавливается в СВЧ-резонатор. 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 сгенерированные 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 чтения состоит из двух областей: (i) область лавинного покрова (область с относительно высоким допинг и сильное поле), в котором происходит размножение лавины, и (ii) дрейфовая область (область, по существу, с собственным легированием и постоянным полем), в которой генерируемые дырки дрейфуют 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 была близка к кремниевой радиатор так что тепло, выделяемое на диодном переходе, 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 быть использовано для модуляция частоты.

Принцип действия

Если свободный электрон с достаточной энергией ударяется об атом кремния, он может нарушить Ковалентная 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 VB, чуть меньше того, что необходимо для пробоя диода. Пусть переменное напряжение достаточно большой величины накладывается на постоянное смещение, 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 лишь 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 колебания напряжения переменного тока. 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. Понятно, что идеальный фазовый сдвиг между током диода и сигналом переменного тока достигается, если толщина дрейфовой зоны такова, что сгусток электронов собирается в n+ - анод в момент, когда напряжение переменного тока падает до нуля. Это условие достигается за счет приведения длины области дрейфа к длине волны сигнала. В этой ситуации возникает дополнительный фазовый сдвиг на 90 ° между напряжением переменного тока и током диода.

Происхождение

В 1956 г. У. Т. Рид и Ральф Л. Джонстон из Bell Telephone Laboratories предположил, что лавинный диод, который демонстрирует значительную временную задержку прохождения, может показывать отрицательное сопротивление характеристика. Эффект вскоре был продемонстрирован в обычных кремниевых диодах, и к концу 1960-х годов были созданы генераторы на частоте 340 ГГц. Кремниевые диоды IMPATT могут непрерывно производить до 3 киловатт мощности, при этом более высокая мощность доступна в импульсах.[1]

ТРАПАТТ

Устройство микроволнового генератора с аналогичной структурой диода 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. [2]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Томас Х. Ли Планарная микроволновая техника: практическое руководство по теории, измерениям и схемам Издательство Кембриджского университета 2004 г.,ISBN  0521835267, стр. 296
  2. ^ Сайтеш Кумар Рой, Моноджит Митра, Микроволновые полупроводниковые приборы PHI Learning Pvt. ООО, 2003 г., ISBN  8120324188, стр.86

дальнейшее чтение

  • Д. Кристиансен, К.К. Александр, Р.К. Юрген (ред.) Стандартный справочник электронной техники (5-е издание). Макгроу Хилл. п. 11.107–11.110 (2005). ISBN  0-07-138421-9.
  • М. С. Гупта: Эквивалентная схема большого сигнала для определения характеристик IMPATT-диодов и ее применение в усилителях. 689–694 (ноябрь 1973 г.). Теория и методы микроволнового излучения. IEEE Объем сделок: 21. Выпуск: 11. ISSN 0018-9480
  • Р. Л. Джонстон, Б. К. ДеЛоч младший и Б. Г. Коэн: Осциллятор на кремниевом диоде. 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.). IEEE Том журнала: 8. Выпуск: 1. ISSN 0018-9200
  • W.T. Рид младший, Предлагаемый высокочастотный диод с отрицательным сопротивлением, Технический журнал Bell System, 37, 401 (1958).
  • С. М. Зе: 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 устройства. Джон Вили и сыновья. 311–320 (1991). ISBN  0-471-60560-3