Lawinenlaufzeitgeräte

Der Prozess der Verzögerung zwischen Spannung und Strom in der Lawine zusammen mit der Laufzeit durch das Material wird als negativer Widerstand bezeichnet. Die Vorrichtungen, die dazu beitragen, dass eine Diode diese Eigenschaft aufweist, werden als bezeichnetAvalanche transit time devices.

Beispiele für Geräte, die unter diese Kategorie fallen, sind IMPATT-, TRAPATT- und BARITT-Dioden. Schauen wir uns jeden einzelnen im Detail an.

IMPATT-Diode

Dies ist eine Hochleistungshalbleiterdiode, die in Hochfrequenz-Mikrowellenanwendungen verwendet wird. Das vollständige Formular IMPATT istIMPact ionization Avalanche Transit Time diode.

Ein Spannungsgradient beim Anlegen an die IMPATT-Diode führt zu einem hohen Strom. Eine normale Diode wird dadurch irgendwann ausfallen. Die IMPATT-Diode wurde jedoch entwickelt, um all dies zu überstehen. Ein hoher Potentialgradient wird angelegt, um die Diode zurückzuspannen, und daher fließen Minoritätsträger über den Übergang.

Wenn eine HF-Wechselspannung angelegt wird, wenn sie einer hohen Gleichspannung überlagert wird, führt die erhöhte Geschwindigkeit von Löchern und Elektronen zu zusätzlichen Löchern und Elektronen, indem sie durch Stoßionisation aus der Kristallstruktur herausgeschlagen werden. Wenn das ursprünglich angelegte Gleichstromfeld an der Schwelle zur Entwicklung dieser Situation lag, führt dies zur Lawinenstrommultiplikation, und dieser Prozess wird fortgesetzt. Dies kann aus der folgenden Abbildung verstanden werden.

Aufgrund dieses Effekts nimmt der Stromimpuls eine Phasenverschiebung von 90 ° an. Anstatt dort zu sein, bewegt es sich jedoch aufgrund der angelegten Sperrvorspannung in Richtung Kathode. Die Zeit, die der Impuls benötigt, um die Kathode zu erreichen, hängt von der Dicke von abn+Schicht, die so eingestellt wird, dass sie eine Phasenverschiebung von 90 ° aufweist. Nun ist ein dynamischer negativer HF-Widerstand nachgewiesen. Daher wirkt die IMPATT-Diode sowohl als Oszillator als auch als Verstärker.

Die folgende Abbildung zeigt die Konstruktionsdetails einer IMPATT-Diode.

Der Wirkungsgrad der IMPATT-Diode wird dargestellt als

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

Wo,

• $ P_ {ac} $ = Wechselstrom

• $ P_ {dc} $ = Gleichstrom

• $ V_a \: \ & \: I_a $ = Wechselspannung und Wechselstrom

• $ V_d \: \ & \: I_d $ = Gleichspannung und Gleichstrom

Nachteile

Im Folgenden sind die Nachteile der IMPATT-Diode aufgeführt.

• Es ist laut, da Lawine ein lauter Prozess ist
• Der Abstimmbereich ist nicht so gut wie bei Gunn-Dioden

Anwendungen

Im Folgenden sind die Anwendungen der IMPATT-Diode aufgeführt.

• Mikrowellenoszillator
• Mikrowellengeneratoren
• Modulierter Ausgangsoszillator
• Lokaler Oszillator des Empfängers
• Negative Widerstandsverstärkungen
• Intrusion Alarm Networks (High Q IMPATT)
• Polizeiradar (High Q IMPATT)
• Mikrowellensender mit geringer Leistung (IMPATT mit hohem Q)
• FM-Telekommunikationssender (Low Q IMPATT)
• CW-Doppler-Radarsender (IMPATT mit niedrigem Q)

TRAPATT-Diode

Die vollständige Form der TRAPATT-Diode ist TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode. Ein Mikrowellengenerator, der zwischen Hunderten von MHz und GHz arbeitet. Dies sind normalerweise Dioden mit hoher Spitzenleistungn+- p-p+ oder p+-n-n+Strukturen mit einem Verarmungsbereich vom n-Typ, deren Breite von 2,5 bis 1,25 um variiert. Die folgende Abbildung zeigt dies.

Die Elektronen und Löcher, die im Niederfeldbereich hinter der Zone eingeschlossen sind, sollen den Verarmungsbereich in der Diode füllen. Dies geschieht durch einen Hochfeldlawinenbereich, der sich durch die Diode ausbreitet.

Die folgende Abbildung zeigt eine Grafik, in der AB die Aufladung, BC die Plasmabildung, DE die Plasmaextraktion, EF die Restextraktion und FG die Aufladung zeigt.

Lassen Sie uns sehen, was an jedem Punkt passiert.

A:Die Spannung am Punkt A reicht nicht aus, um einen Lawinenausfall zu verursachen. Bei A führen Ladungsträger aufgrund der Wärmeerzeugung zum Laden der Diode wie eine lineare Kapazität.

A-B:Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Stärke des elektrischen Feldes zu. Wenn eine ausreichende Anzahl von Ladungsträgern erzeugt wird, wird das elektrische Feld im gesamten Verarmungsbereich niedergedrückt, wodurch die Spannung von B auf C abfällt.

C:Diese Ladung hilft der Lawine, weiterzumachen, und es entsteht ein dichtes Plasma aus Elektronen und Löchern. Das Feld wird weiter niedergedrückt, um die Elektronen oder Löcher nicht aus der Verarmungsschicht herauszulassen, und fängt das verbleibende Plasma ein.

D: Die Spannung nimmt am Punkt D ab. Zum Löschen des Plasmas ist eine lange Zeit erforderlich, da die Gesamtplasmaladung im Vergleich zur Ladung pro Zeiteinheit im externen Strom groß ist.

E:Am Punkt E wird das Plasma entfernt. Restladungen von Löchern und Elektronen verbleiben jeweils an einem Ende der Ablenkschicht.

E to F: Die Spannung steigt an, wenn die Restladung entfernt wird.

F: Am Punkt F wird die gesamte intern erzeugte Ladung entfernt.

F to G: Die Diode lädt sich wie ein Kondensator auf.

G:Am Punkt G geht der Diodenstrom für eine halbe Periode auf Null. Die Spannung bleibt konstant, wie in der obigen Grafik gezeigt. Dieser Zustand wird fortgesetzt, bis der Strom wieder eingeschaltet wird und sich der Zyklus wiederholt.

Die Lawinenzonengeschwindigkeit $ V_s $ wird dargestellt als

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

Wo

• $J$ = Stromdichte

• $q$= Elektronenladung 1,6 × 10 ^–19

• $ N_A $ = Dotierungskonzentration

Die Lawinenzone wird schnell über den größten Teil der Diode laufen und die Laufzeit der Träger wird als dargestellt

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

Wo

• $ V_s $ = Driftgeschwindigkeit des gesättigten Trägers

• $ L $ = Länge der Probe

Die hier berechnete Laufzeit ist die Zeit zwischen der Injektion und der Sammlung. Die wiederholte Aktion erhöht den Ausgang, um ihn zu einem Verstärker zu machen, während ein Mikrowellen-Tiefpassfilter, der im Nebenschluss mit der Schaltung verbunden ist, ihn als Oszillator arbeiten lassen kann.

Anwendungen

Es gibt viele Anwendungen dieser Diode.

• Doppler-Radargeräte mit geringer Leistung
• Lokaloszillator für Radargeräte
• Mikrowellen-Leuchtsystem
• Funkhöhenmesser
• Phased-Array-Radar usw.

BARITT Diode

Die vollständige Form von BARITT Diode is BARrier Injection Transit Time diode. Dies sind die neuesten Erfindungen in dieser Familie. Obwohl diese Dioden lange Driftbereiche wie IMPATT-Dioden aufweisen, wird die Trägerinjektion in BARITT-Dioden durch vorwärts vorgespannte Übergänge verursacht, jedoch nicht wie in ihnen aus dem Plasma eines Lawinenbereichs.

Bei IMPATT-Dioden ist die Trägerinjektion aufgrund der Stoßionisation ziemlich verrauscht. In BARITT-Dioden wird zur Vermeidung des Rauschens eine Trägerinjektion durch Durchstechen des Verarmungsbereichs bereitgestellt. Der negative Widerstand in einer BARITT-Diode wird aufgrund der Drift der injizierten Löcher zum Kollektorende der Diode aus p-Typ-Material erhalten.

Die folgende Abbildung zeigt die Konstruktionsdetails einer BARITT-Diode.

Für ein m-n-m BARITT Diode, Ps-Si Schottky-Barriere kontaktiert Metalle mit n-type Si waferzwischen. Ein schneller Anstieg des Stroms bei angelegter Spannung (über 30 V) ist auf die thermionische Lochinjektion in den Halbleiter zurückzuführen.

Die kritische Spannung $ (Vc) $ hängt von der Dotierungskonstante $ (N) $, der Länge des Halbleiters $ (L) $ und der dielektrischen Permittivität $ (\ epsilon S) $ ab, dargestellt als

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

Monolithische integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC)

Mikrowellen-ICs sind die beste Alternative zu herkömmlichen Wellenleiter- oder Koaxialschaltungen, da sie ein geringes Gewicht, eine geringe Größe, eine hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit aufweisen. Die Grundmaterialien für integrierte monolithische Mikrowellenschaltungen sind -

• Substratmaterial
• Leitermaterial
• Dielektrische Filme
• Widerstandsfilme

Diese sind so ausgewählt, dass sie ideale Eigenschaften und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Das Substrat, auf dem Schaltungselemente hergestellt werden, ist wichtig, da die Dielektrizitätskonstante des Materials zusammen mit anderen idealen Eigenschaften bei niedrigem Verlustfaktor hoch sein sollte. Die verwendeten Substratmaterialien sind GaAs, Ferrit / Granat, Aluminium, Beryllium, Glas und Rutil.

Das Leitermaterial wird so ausgewählt, dass es eine hohe Leitfähigkeit, einen niedrigen Temperaturkoeffizienten des Widerstands, eine gute Haftung auf dem Substrat und Ätzen usw. aufweist. Aluminium, Kupfer, Gold und Silber werden hauptsächlich als Leitermaterialien verwendet. Die dielektrischen Materialien und Widerstandsmaterialien sind so ausgewählt, dass sie einen geringen Verlust und eine gute Stabilität aufweisen.

Herstellungstechnologie

In integrierten Hybridschaltungen sind die Halbleiterbauelemente und passiven Schaltungselemente auf einem dielektrischen Substrat ausgebildet. Die passiven Schaltungen sind entweder verteilte oder konzentrierte Elemente oder eine Kombination aus beiden.

Es gibt zwei Arten von integrierten Hybridschaltungen.

• Hybrid-IC
• Miniatur-Hybrid-IC

In beiden obigen Prozessen verwendet der Hybrid-IC die verteilten Schaltungselemente, die auf dem IC unter Verwendung einer Einschicht-Metallisierungstechnik hergestellt werden, während der Miniatur-Hybrid-IC mehrstufige Elemente verwendet.

Die meisten analogen Schaltungen verwenden die Meso-Isolationstechnologie, um aktive Bereiche vom n-Typ zu isolieren, die für FETs und Dioden verwendet werden. Planare Schaltkreise werden hergestellt, indem Ionen in ein halbisolierendes Substrat implantiert werden, und um eine Isolation bereitzustellen, werden die Bereiche maskiert.

""Via hole"Technologie wird verwendet, um die Quelle mit an die Erde angeschlossenen Quellenelektroden in einem GaAs-FET zu verbinden, der in der folgenden Abbildung gezeigt ist.

Es gibt viele Anwendungen von MMICs.

• Militärische Kommunikation
• Radar
• ECM
• Phased-Array-Antennensysteme
• Spread-Spectrum- und TDMA-Systeme

Sie sind kostengünstig und werden auch in vielen inländischen Verbraucheranwendungen wie DTH, Telekommunikation und Instrumentierung usw. verwendet.