Устройства Лавина Транзит Времени

Процесс задержки между напряжением и током в лавине вместе со временем прохождения через материал называется отрицательным сопротивлением. Устройства, которые помогают заставить диод проявлять это свойство, называются устройствами времени пролета Лавины .

Примерами устройств этой категории являются диоды IMPATT, TRAPATT и BARITT. Давайте рассмотрим каждый из них подробно.

ИМПАТТ Диод

Это мощный полупроводниковый диод, используемый в высокочастотных микроволновых устройствах. Полная форма IMPATT — это импульсный ионизационный лавинный диод Transit Time .

Градиент напряжения при подаче на диод IMPATT приводит к сильному току. Нормальный диод в конечном итоге будет разбит этим. Тем не менее, ИМПАТТ диод разработан, чтобы выдержать все это. Высокий градиент потенциала применяется для обратного смещения диода, и, следовательно, неосновные носители протекают через переход.

Приложение напряжения переменного тока ВЧ при наложении на высокое напряжение постоянного тока, увеличенная скорость дырок и электронов приводит к появлению дополнительных дырок и электронов, выбивая их из кристаллической структуры ударной ионизацией. Если исходное поле постоянного тока было на пороге развития этой ситуации, то это приводит к умножению лавинного тока, и этот процесс продолжается. Это можно понять по следующему рисунку.

Благодаря этому эффекту импульс тока принимает сдвиг фазы на 90 °. Однако вместо того, чтобы быть там, он движется к катоду из-за обратного смещения. Время, необходимое импульсу для достижения катода, зависит от толщины слоя n + , который регулируется так, чтобы он сдвигался по фазе на 90 °. Теперь доказано, что существует динамическое отрицательное сопротивление РФ. Следовательно, диод IMPATT действует как генератор и усилитель.

На следующем рисунке показаны конструктивные особенности диода IMPATT.

КПД диода IMPATT представлен в виде

$$\ eta = \ left [\ frac {P_ {ac}} {P_ {dc}} \ right] = \ frac {V_a} {V_d} \ left [\ frac {I_a} {I_d} \ right]$$

Куда,

• $P_ {ac}$ = мощность переменного тока

• $P_ {dc}$ = мощность постоянного тока

• $V_a \: \ & \: I_a$ = переменное напряжение и ток

• $V_d \: \ & \: I_d$ = постоянное напряжение и ток

$P_ {ac}$ = мощность переменного тока

$P_ {dc}$ = мощность постоянного тока

$V_a \: \ & \: I_a$ = переменное напряжение и ток

$V_d \: \ & \: I_d$ = постоянное напряжение и ток

Недостатки

Ниже приведены недостатки ИМПАТТ диода.

• Шумно, так как лавина — шумный процесс.
• Диапазон настройки не так хорош, как у диодов Ганна

Приложения

Ниже приведены применения ИМПАТТ диода.

• СВЧ генератор
• Микроволновые генераторы
• Модулированный выходной генератор
• Локальный генератор приемника
• Усиление отрицательного сопротивления
• Системы охранной сигнализации (высокий Q IMPATT)
• Полицейский радар (высокий Q IMPATT)
• Микроволновый передатчик малой мощности (IMPATT с высоким Q)
• FM-передатчик (низкий Q IMPATT)
• CW Доплеровский радарный передатчик (низкий Q IMPATT)

TRAPATT Диод

Полная форма диода TRAPATT представляет собой транзитный транзисторный диод с лавинной цепью TRApped . Микроволновый генератор, который работает от сотен МГц до ГГц. Это диоды с высокой пиковой мощностью, обычно n + — p-p + или p + -n-n + структуры с областью обеднения n-типа, ширина которой варьируется от 2,5 до 1,25 мкм. На следующем рисунке это показано.

Электроны и дырки, захваченные в области слабого поля за зоной, предназначены для заполнения области обеднения в диоде. Это осуществляется с помощью области лавинного поля, которая распространяется через диод.

На следующем рисунке показан график, на котором AB показывает заряд, BC показывает образование плазмы, DE показывает извлечение плазмы, EF показывает остаточное извлечение и FG показывает зарядку.

Давайте посмотрим, что происходит в каждой из точек.

A: Напряжение в точке A не является достаточным для возникновения лавинного пробоя. В точке A носители заряда из-за тепловыделения приводят к зарядке диода как линейная емкость.

А.Б .: В этот момент величина электрического поля увеличивается. Когда генерируется достаточное количество носителей, электрическое поле понижается по всей области истощения, вызывая снижение напряжения от B до C.

C: Этот заряд помогает лавине продолжаться, и создается плотная плазма электронов и дырок. Поле дополнительно подавлено, чтобы не допустить попадания электронов или дырок из обедненного слоя и удержание оставшейся плазмы.

D: напряжение падает в точке D. Требуется длительное время для очистки плазмы, поскольку общий заряд плазмы велик по сравнению с зарядом в единицу времени во внешнем токе.

E: В точке E плазма удаляется. Остаточные заряды дырок и электронов остаются каждый на одном конце отклоняющего слоя.

E до F: напряжение увеличивается по мере удаления остаточного заряда.

F: В точке F, весь внутренний заряд удаляется.

F to G: диод заряжается как конденсатор.

G: В точке G ток диода обнуляется в течение половины периода. Напряжение остается постоянным, как показано на графике выше. Это состояние продолжается до тех пор, пока ток не включится снова и цикл не повторится.

Скорость лавинной зоны $V_s$ представлена ​​в виде

$$V_s = \ frac {dx} {dt} = \ frac {J} {qN_A}$$

куда

• $J$ = плотность тока

• $q$ = заряд электрона 1.6 x 10 ^-19

• $N_A$ = концентрация допинга

$J$ = плотность тока

$q$ = заряд электрона 1.6 x 10 ^-19

$N_A$ = концентрация допинга

Лавинная зона будет быстро проходить через большую часть диода, и время прохождения несущих представляется как

$$\ tau_s = \ frac {L} {V_s}$$

куда

• $V_s$ = скорость дрейфа насыщенного носителя

• $L$ = длина образца

$V_s$ = скорость дрейфа насыщенного носителя

$L$ = длина образца

Расчетное время прохождения — это время между впрыском и сбором. Повторяющееся действие увеличивает выходной сигнал, чтобы сделать его усилителем, тогда как микроволновый фильтр нижних частот, соединенный шунтом с цепью, может заставить его работать как генератор.

Приложения

Есть много применений этого диода.

• Доплеровские радары малой мощности
• Локальный генератор для радаров
• Микроволновая система посадки маяков
• Радиовысотомер
• Фазированная антенная решетка и др.

БАРИТТ Диод

Полной формой диода BARITT является диод BARRI Injection Transit Time . Это последнее изобретение в этой семье. Хотя эти диоды имеют длинные области дрейфа, такие как диоды IMPATT, инжекция носителей в диодах BARITT вызвана смещенными в прямом направлении переходами, а не из плазмы лавинной области, как в них.

В диодах IMPATT инжекция носителя довольно шумная из-за ударной ионизации. В диодах BARITT, чтобы избежать шума, инжекция несущей осуществляется посредством пробивки через область истощения. Отрицательное сопротивление в диоде БАРИТТА получается за счет дрейфа инжектированных отверстий на конце коллектора диода, выполненного из материала р-типа.

На следующем рисунке показаны конструктивные детали диода BARITT.

Для многодиапазонного диода Баритта барьер Шоттки Ps-Si связывает металлы с кремниевой пластиной n-типа между ними. Быстрое увеличение тока с приложенным напряжением (выше 30 В) связано с инжекцией термоэлектронной дыры в полупроводник.

Критическое напряжение $(Vc)$ зависит от константы легирования $(N)$, длины полупроводника $(L)$ и диэлектрической проницаемости полупроводника $(\ epsilon S)$, представленной в виде

$$V_c = \ frac {qNL ^ 2} {2 \ epsilon S}$$

Монолитная микроволновая интегральная схема (MMIC)

Микроволновые ИС являются лучшей альтернативой обычным волноводным или коаксиальным схемам, так как они имеют малый вес, малые размеры, высоконадежны и воспроизводимы. Основные материалы, используемые для монолитных микроволновых интегральных схем:

• Материал основания
• Материал проводника
• Диэлектрические пленки
• Резистивные фильмы

Они так выбраны, чтобы иметь идеальные характеристики и высокую эффективность. Подложка, на которой изготавливаются элементы схемы, важна, так как диэлектрическая проницаемость материала должна быть высокой с низким коэффициентом рассеяния наряду с другими идеальными характеристиками. Используемые материалы подложки: GaAs, феррит / гранат, алюминий, бериллий, стекло и рутил.

Материал проводника выбирается таким образом, чтобы иметь высокую проводимость, низкотемпературный коэффициент сопротивления, хорошую адгезию к подложке, травление и т. Д. В качестве материалов проводника в основном используются алюминий, медь, золото и серебро. Диэлектрические и резистивные материалы выбраны таким образом, чтобы иметь низкие потери и хорошую стабильность.

Технология изготовления

В гибридных интегральных схемах полупроводниковые устройства и элементы пассивной схемы сформированы на диэлектрической подложке. Пассивные схемы являются либо распределенными, либо сосредоточенными элементами, либо комбинацией обоих.

Гибридные интегральные схемы бывают двух типов.

• Гибридная ИС
• Миниатюрная гибридная микросхема

В обоих вышеописанных процессах гибридная ИС использует элементы распределенных цепей, которые изготавливаются на ИС с использованием технологии однослойной металлизации, тогда как в миниатюрной гибридной ИС используются многоуровневые элементы.

Большинство аналоговых цепей используют технологию мезоизоляции для изоляции активных областей n-типа, используемых для полевых транзисторов и диодов. Плоские цепи изготавливаются путем имплантации ионов в полуизолирующую подложку, и для обеспечения изоляции области маскируются.

Технология « через отверстие » используется для соединения источника с электродами источника, соединенными с землей, в полевом транзисторе на основе GaAs, что показано на следующем рисунке.

Есть много применений MMIC.

• Военная связь
• радиолокационный
• ECM
• Фазированная антенная система
• Системы с расширенным спектром и TDMA

Они рентабельны, а также используются во многих бытовых потребительских приложениях, таких как DTH, телекоммуникации и приборостроение и т. Д.