Dispositivi del tempo di transito delle valanghe
Si dice che il processo di ritardo tra tensione e corrente, in valanga insieme al tempo di transito, attraverso il materiale sia resistenza negativa. I dispositivi che aiutano a far sì che un diodo mostri questa proprietà sono chiamati comeAvalanche transit time devices.
Gli esempi dei dispositivi che rientrano in questa categoria sono i diodi IMPATT, TRAPATT e BARITT. Diamo un'occhiata a ciascuno di essi, in dettaglio.
Diodo IMPATT
Questo è un diodo semiconduttore ad alta potenza, utilizzato nelle applicazioni a microonde ad alta frequenza. La forma completa IMPATT èIMPact ionization Avalanche Transit Time diode.
Un gradiente di tensione quando applicato al diodo IMPATT, si traduce in una corrente elevata. Un diodo normale finirà per rompersi da questo. Tuttavia, il diodo IMPATT è stato sviluppato per resistere a tutto questo. Un gradiente di potenziale elevato viene applicato per polarizzare il diodo e quindi i portatori di minoranza fluiscono attraverso la giunzione.
L'applicazione di una tensione CA RF se sovrapposta a una tensione CC elevata, la maggiore velocità di buchi ed elettroni si traduce in ulteriori buchi ed elettroni spingendoli fuori dalla struttura cristallina mediante ionizzazione a impatto. Se il campo DC originale applicato era alla soglia di sviluppo di questa situazione, allora porta alla moltiplicazione della corrente di valanga e questo processo continua. Questo può essere compreso dalla figura seguente.
A causa di questo effetto, l'impulso di corrente assume uno sfasamento di 90 °. Tuttavia, invece di essere lì, si sposta verso il catodo a causa della polarizzazione inversa applicata. Il tempo impiegato dall'impulso per raggiungere il catodo dipende dallo spessore din+strato, che viene regolato per renderlo sfasato di 90 °. Ora, è stata dimostrata l'esistenza di una resistenza dinamica RF negativa. Quindi, il diodo IMPATT agisce sia come un oscillatore che come un amplificatore.
La figura seguente mostra i dettagli costruttivi di un diodo IMPATT.
L'efficienza del diodo IMPATT è rappresentata come
$$ \ eta = \ left [\ frac {P_ {ac}} {P_ {dc}} \ right] = \ frac {V_a} {V_d} \ left [\ frac {I_a} {I_d} \ right] $$
Dove,
$ P_ {ac} $ = alimentazione CA
$ P_ {dc} $ = alimentazione CC
$ V_a \: \ & \: I_a $ = tensione e corrente AC
$ V_d \: \ & \: I_d $ = tensione e corrente CC
Svantaggi
Di seguito sono riportati gli svantaggi del diodo IMPATT.
- È rumoroso in quanto la valanga è un processo rumoroso
- La gamma di sintonizzazione non è buona come nei diodi Gunn
Applicazioni
Di seguito sono riportate le applicazioni del diodo IMPATT.
- Oscillatore a microonde
- Generatori di microonde
- Oscillatore di uscita modulato
- Oscillatore locale del ricevitore
- Amplificazioni a resistenza negativa
- Reti di allarme intrusione (alto Q IMPATT)
- Radar della polizia (alto Q IMPATT)
- Trasmettitore a microonde a bassa potenza (alto Q IMPATT)
- Trasmettitore FM per telecomunicazioni (basso Q IMPATT)
- Trasmettitore radar CW Doppler (basso Q IMPATT)
Diodo TRAPATT
La forma completa del diodo TRAPATT è TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode. Un generatore di microonde che opera tra centinaia di MHz e GHz. Questi sono solitamente diodi ad alta potenza di piccon+- p-p+ o p+-n-n+strutture con regione di svuotamento di tipo n, larghezza variabile da 2,5 a 1,25 µm. La figura seguente lo illustra.
Gli elettroni e le lacune intrappolate nella regione di basso campo dietro la zona, sono fatti per riempire la regione di svuotamento nel diodo. Questo viene fatto da una regione di valanghe ad alto campo che si propaga attraverso il diodo.
La figura seguente mostra un grafico in cui AB mostra la carica, BC mostra la formazione del plasma, DE mostra l'estrazione del plasma, EF mostra l'estrazione residua e FG mostra la carica.
Vediamo cosa succede in ciascuno dei punti.
A:La tensione nel punto A non è sufficiente perché si verifichi la rottura della valanga. In A, i portatori di carica dovuti alla generazione termica si traducono nella carica del diodo come una capacità lineare.
A-B:A questo punto, l'ampiezza del campo elettrico aumenta. Quando viene generato un numero sufficiente di portanti, il campo elettrico viene depresso in tutta la regione di svuotamento provocando la diminuzione della tensione da B a C.
C:Questa carica aiuta la valanga a continuare e viene creato un plasma denso di elettroni e lacune. Il campo viene ulteriormente abbassato in modo da non lasciare che gli elettroni o le lacune escano dallo strato di esaurimento e intrappola il plasma rimanente.
D: La tensione diminuisce al punto D. È necessario molto tempo per eliminare il plasma poiché la carica totale del plasma è grande rispetto alla carica per unità di tempo nella corrente esterna.
E:Al punto E, il plasma viene rimosso. Le cariche residue di lacune ed elettroni rimangono ciascuna ad un'estremità dello strato di deflessione.
E to F: La tensione aumenta man mano che la carica residua viene rimossa.
F: Al punto F, tutta la carica generata internamente viene rimossa.
F to G: Il diodo si carica come un condensatore.
G:Nel punto G, la corrente del diodo si azzera per mezzo periodo. La tensione rimane costante come mostrato nel grafico sopra. Questo stato continua fino a quando la corrente ritorna e il ciclo si ripete.
La velocità della zona valanga $ V_s $ è rappresentata come
$$ V_s = \ frac {dx} {dt} = \ frac {J} {qN_A} $$
Dove
$J$ = Densità di corrente
$q$= Carica elettronica 1,6 x 10-19
$ N_A $ = Concentrazione antidoping
La zona delle valanghe attraverserà rapidamente la maggior parte del diodo e il tempo di transito dei vettori è rappresentato come
$$ \ tau_s = \ frac {L} {V_s} $$
Dove
$ V_s $ = Velocità di deriva della portante saturata
$ L $ = Lunghezza del provino
Il tempo di transito calcolato qui è il tempo tra l'iniezione e il ritiro. L'azione ripetuta ne aumenta l'uscita per renderlo un amplificatore, mentre un filtro passa basso a microonde collegato in shunt al circuito può farlo funzionare come un oscillatore.
Applicazioni
Ci sono molte applicazioni di questo diodo.
- Radar Doppler a bassa potenza
- Oscillatore locale per radar
- Sistema di atterraggio con faro a microonde
- Altimetro radio
- Radar phased array, ecc.
Diodo BARITT
La forma completa di BARITT Diode is BARrier Injection Transit Time diode. Queste sono l'ultima invenzione di questa famiglia. Sebbene questi diodi abbiano lunghe regioni di deriva come i diodi IMPATT, l'iniezione di portante nei diodi BARITT è causata da giunzioni polarizzate in avanti, ma non dal plasma di una regione di valanga come in esse.
Nei diodi IMPATT, l'iniezione del vettore è piuttosto rumorosa a causa della ionizzazione da impatto. Nei diodi BARITT, per evitare il rumore, l'iniezione del vettore è fornita mediante perforazione della regione di esaurimento. La resistenza negativa in un diodo BARITT è ottenuta a causa della deriva dei fori iniettati all'estremità del collettore del diodo, realizzato in materiale di tipo p.
La figura seguente mostra i dettagli costruttivi di un diodo BARITT.
Per un m-n-m Diodo BARITT, Ps-Si La barriera Schottky contatta i metalli con n-type Si wafernel mezzo. Un rapido aumento della corrente con la tensione applicata (superiore a 30 V) è dovuto all'iniezione del foro termoionico nel semiconduttore.
La tensione critica $ (Vc) $ dipende dalla costante di drogaggio $ (N) $, dalla lunghezza del semiconduttore $ (L) $ e dalla permettività dielettrica del semiconduttore $ (\ epsilon S) $ rappresentata come
$$ V_c = \ frac {qNL ^ 2} {2 \ epsilon S} $$
Circuito integrato monolitico a microonde (MMIC)
I circuiti integrati a microonde sono la migliore alternativa alla guida d'onda convenzionale o ai circuiti coassiali, poiché sono di peso ridotto, di piccole dimensioni, altamente affidabili e riproducibili. I materiali di base utilizzati per i circuiti integrati monolitici a microonde sono:
- Materiale del substrato
- Materiale conduttore
- Film dielettrici
- Film resistivi
Questi sono così scelti per avere caratteristiche ideali e alta efficienza. Il substrato su cui sono fabbricati gli elementi del circuito è importante poiché la costante dielettrica del materiale dovrebbe essere alta con un basso fattore di dissipazione, insieme ad altre caratteristiche ideali. I materiali del substrato utilizzati sono GaAs, ferrite / granato, alluminio, berillio, vetro e rutilo.
Il materiale del conduttore è scelto in modo da avere un'elevata conduttività, un coefficiente di resistenza a bassa temperatura, una buona adesione al substrato e all'incisione, ecc. I materiali dielettrici e resistivi sono così scelti per avere basse perdite e buona stabilità.
Tecnologia di fabbricazione
Nei circuiti integrati ibridi, i dispositivi semiconduttori e gli elementi del circuito passivo sono formati su un substrato dielettrico. I circuiti passivi sono elementi distribuiti o concentrati o una combinazione di entrambi.
I circuiti integrati ibridi sono di due tipi.
- IC ibrido
- IC ibrido in miniatura
In entrambi i processi di cui sopra, l'IC ibrido utilizza gli elementi del circuito distribuito fabbricati su IC utilizzando una tecnica di metallizzazione a strato singolo, mentre l'IC ibrido in miniatura utilizza elementi multilivello.
La maggior parte dei circuiti analogici utilizza la tecnologia di meso isolamento per isolare le aree attive di tipo n utilizzate per FET e diodi. I circuiti planari sono fabbricati impiantando ioni in un substrato semi-isolante e per fornire isolamento le aree sono mascherate.
"Via hole"La tecnologia viene utilizzata per collegare la sorgente con gli elettrodi della sorgente collegati a terra, in un FET GaAs, come mostrato nella figura seguente.
Esistono molte applicazioni di MMIC.
- Comunicazione militare
- Radar
- ECM
- Sistemi di antenne phased array
- Spettro diffuso e sistemi TDMA
Sono convenienti e utilizzati anche in molte applicazioni di consumo domestico come DTH, telecomunicazioni e strumentazione, ecc.