アバランチトランジットタイムデバイス
アバランシェで通過時間とともに電圧と電流の間に遅延が発生するプロセスは、負性抵抗と呼ばれます。ダイオードにこの特性を発揮させるのに役立つデバイスは、次のように呼ばれます。Avalanche transit time devices。
このカテゴリに分類されるデバイスの例は、IMPATT、TRAPATT、およびBARITTダイオードです。それぞれについて詳しく見ていきましょう。
IMPATTダイオード
これは、高周波マイクロ波アプリケーションで使用される高出力半導体ダイオードです。完全な形式のIMPATTはIMPact ionization Avalanche Transit Time diode。
IMPATTダイオードに電圧勾配を印加すると、大電流が発生します。通常のダイオードは、これによって最終的に故障します。ただし、IMPATTダイオードはこれらすべてに耐えるように開発されています。ダイオードをバックバイアスするために高電位勾配が適用されるため、少数キャリアが接合を横切って流れます。
高いDC電圧に重ね合わされた場合、RF AC電圧を印加すると、正孔と電子の速度が増加し、衝突電離によって結晶構造から正孔と電子がスラッシングされるため、正孔と電子が追加されます。適用された元のDCフィールドがこの状況を発生させるしきい値にあった場合、それはアバランシェ電流の増加につながり、このプロセスが続行されます。これは次の図で理解できます。
この効果により、電流パルスは90°の位相シフトを取ります。ただし、そこにある代わりに、逆バイアスが適用されるため、カソードに向かって移動します。パルスがカソードに到達するのにかかる時間は、n+90°の位相シフトになるように調整されたレイヤー。現在、動的RF負性抵抗が存在することが証明されています。したがって、IMPATTダイオードは発振器と増幅器の両方として機能します。
次の図は、IMPATTダイオードの構造の詳細を示しています。
IMPATTダイオードの効率は次のように表されます。
$$ \ eta = \ left [\ frac {P_ {ac}} {P_ {dc}} \ right] = \ frac {V_a} {V_d} \ left [\ frac {I_a} {I_d} \ right] $$
どこ、
$ P_ {ac} $ = AC電源
$ P_ {dc} $ = DC電源
$ V_a \:\&\:I_a $ = AC電圧および電流
$ V_d \:\&\:I_d $ = DC電圧と電流
短所
以下は、IMPATTダイオードの欠点です。
- 雪崩は騒々しいプロセスであるため、騒がしい
- チューニング範囲はガンダイオードほど良くありません
アプリケーション
以下は、IMPATTダイオードのアプリケーションです。
- マイクロ波発振器
- マイクロ波発生器
- 変調出力発振器
- レシーバー局部発振器
- 負性抵抗の増幅
- 侵入警報ネットワーク(高Q IMPATT)
- 警察レーダー(高Q IMPATT)
- 低電力マイクロ波送信機(高Q IMPATT)
- FMテレコム送信機(低Q IMPATT)
- CWドップラーレーダー送信機(低Q IMPATT)
TRAPATTダイオード
TRAPATTダイオードの完全な形式は TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode。数百MHzからGHzの間で動作するマイクロ波発生器。これらは通常、高ピークパワーダイオードですn+- p-p+ または p+-n-n+n型空乏領域を持ち、幅が2.5〜1.25 µmの構造。次の図はこれを示しています。
ゾーンの後ろの低電界領域にトラップされた電子と正孔は、ダイオードの空乏領域を埋めるように作られています。これは、ダイオードを介して伝搬する高電界アバランシェ領域によって行われます。
次の図は、ABが帯電を示し、BCがプラズマ形成を示し、DEがプラズマ抽出を示し、EFが残留抽出を示し、FGが帯電を示すグラフを示しています。
それぞれのポイントで何が起こるか見てみましょう。
A:ポイントAの電圧は、アバランシェ降伏が発生するのに十分ではありません。Aでは、熱生成による電荷キャリアにより、線形容量のようにダイオードが充電されます。
A-B:この時点で、電界の大きさが増加します。十分な数のキャリアが生成されると、空乏領域全体で電界が低下し、電圧がBからCに低下します。
C:この電荷は雪崩が続くのを助け、電子と正孔の高密度プラズマが生成されます。電子や正孔が空乏層から出ないように電界をさらに押し下げ、残りのプラズマをトラップします。
D: 点Dで電圧が低下します。外部電流の単位時間あたりの電荷に比べて総プラズマ電荷が大きいため、プラズマをクリアするのに長い時間がかかります。
E:E点で血漿が除去されます。正孔と電子の残留電荷は、それぞれ偏向層の一端に残ります。
E to F: 残留電荷が除去されると、電圧が上昇します。
F: ポイントFで、内部で生成されたすべての電荷が除去されます。
F to G: ダイオードはコンデンサのように充電されます。
G:点Gで、ダイオード電流は半周期でゼロになります。上のグラフに示すように、電圧は一定のままです。この状態は、電流が再びオンになり、サイクルが繰り返されるまで続きます。
雪崩ゾーンの速度$ V_s $は、次のように表されます。
$$ V_s = \ frac {dx} {dt} = \ frac {J} {qN_A} $$
どこ
$J$ =電流密度
$q$=電子電荷1.6x 10 -19
$ N_A $ =ドーピング濃度
アバランシェゾーンはほとんどのダイオードをすばやく掃引し、キャリアの通過時間は次のように表されます。
$$ \ tau_s = \ frac {L} {V_s} $$
どこ
$ V_s $ =飽和キャリアドリフト速度
$ L $ =試験片の長さ
ここで計算される通過時間は、注入から収集までの時間です。繰り返し動作すると出力が増加してアンプになりますが、回路とシャント接続されたマイクロ波ローパスフィルターを使用すると発振器として機能します。
アプリケーション
このダイオードには多くの用途があります。
- 低電力ドップラーレーダー
- レーダー用局部発振器
- マイクロ波ビーコン着陸システム
- 電波高度計
- フェーズドアレイレーダーなど
BARITTダイオード
の完全な形式 BARITT Diode is BARrier Injection Transit Time diode。これらは、このファミリの最新の発明です。これらのダイオードはIMPATTダイオードのように長いドリフト領域を持っていますが、BARITTダイオードのキャリア注入は順方向にバイアスされた接合によって引き起こされますが、アバランシェ領域のプラズマからは引き起こされません。
IMPATTダイオードでは、衝突電離のためにキャリア注入にかなりのノイズが発生します。BARITTダイオードでは、ノイズを回避するために、キャリア注入は空乏領域のパンチスルーによって提供されます。BARITTダイオードの負性抵抗は、p型材料で作られたダイオードのコレクタ端への注入された正孔のドリフトのために得られます。
次の図は、BARITTダイオードの構造の詳細を示しています。
のために m-n-m BARITTダイオード、 Ps-Si ショットキーバリアは金属と接触します n-type Si wafer間に。印加電圧(30v以上)による電流の急激な増加は、半導体への熱電子正孔注入によるものです。
臨界電圧$(Vc)$は、ドーピング定数$(N)$、半導体の長さ$(L)$、および半導体の誘電率$(\ epsilon S)$に依存します。
$$ V_c = \ frac {qNL ^ 2} {2 \ epsilon S} $$
モノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)
マイクロ波ICは、軽量、小型、信頼性、再現性が高いため、従来の導波管または同軸回路の最良の代替品です。モノリシックマイクロ波集積回路に使用される基本的な材料は次のとおりです。
- 基板材料
- 導体材料
- 誘電体フィルム
- 抵抗膜膜
これらは、理想的な特性と高効率を持つように選択されています。材料の誘電定数は、他の理想的な特性とともに、誘電正接が低く、高くなければならないため、回路要素が製造される基板は重要です。使用される基板材料は、GaAs、フェライト/ガーネット、アルミニウム、ベリリウム、ガラス、ルチルです。
導体材料は、導電性が高く、抵抗温度係数が低く、基板への密着性やエッチングなどが良好になるように選択されています。導体材料には、主にアルミニウム、銅、金、銀が使用されます。誘電体材料と抵抗性材料は、損失が少なく安定性が高いように選択されています。
製造技術
ハイブリッド集積回路では、半導体デバイスと受動回路素子が誘電体基板上に形成されます。パッシブ回路は、分散要素または集中要素、あるいはその両方の組み合わせです。
ハイブリッド集積回路には2つのタイプがあります。
- ハイブリッドIC
- ミニチュアハイブリッドIC
上記の両方のプロセスで、ハイブリッドICは、単層メタライゼーション技術を使用してIC上に製造された分散回路要素を使用しますが、ミニチュアハイブリッドICはマルチレベル要素を使用します。
ほとんどのアナログ回路は、メソ絶縁技術を使用して、FETおよびダイオードに使用されるアクティブなn型領域を絶縁します。平面回路は、イオンを半絶縁性基板に注入することによって製造され、絶縁を提供するために、領域はマスクされます。
「」Via hole「技術は、次の図に示すGaAs FETで、ソースをグランドに接続されたソース電極に接続するために使用されます。
MMICには多くの用途があります。
- 軍事通信
- Radar
- ECM
- フェーズドアレイアンテナシステム
- スペクトラム拡散およびTDMAシステム
それらは費用効果が高く、DTH、テレコム、計装などの多くの国内消費者向けアプリケーションでも使用されています。