Urządzenia czasu tranzytu lawinowego

Mówi się, że proces, w którym występuje opóźnienie między napięciem a prądem, w lawinie wraz z czasem przejścia, przez materiał, jest oporem ujemnym. Urządzenia, które pomagają sprawić, by dioda wykazywała tę właściwość, nazywane są jakoAvalanche transit time devices.

Przykładami urządzeń zaliczanych do tej kategorii są diody IMPATT, TRAPATT i BARITT. Przyjrzyjmy się szczegółowo każdemu z nich.

Dioda IMPATT

Jest to dioda półprzewodnikowa dużej mocy, używana w zastosowaniach mikrofalowych o wysokiej częstotliwości. Pełna forma IMPATT jestIMPact ionization Avalanche Transit Time diode.

Gradient napięcia po przyłożeniu do diody IMPATT powoduje wysoki prąd. Normalna dioda w końcu ulegnie awarii przez to. Jednak dioda IMPATT została opracowana, aby wytrzymać to wszystko. Wysoki gradient potencjału jest stosowany do polaryzacji wstecznej diody, a zatem nośniki mniejszościowe przepływają przez złącze.

Przyłożenie napięcia zmiennego o częstotliwości radiowej w przypadku nałożenia na wysokie napięcie prądu stałego, zwiększona prędkość dziur i elektronów skutkuje dodatkowymi dziurami i elektronami, wyrzucając je ze struktury kryształu przez jonizację uderzeniową. Jeśli pierwotnie zastosowane pole DC było na progu rozwoju tej sytuacji, to prowadzi to do zwielokrotnienia prądu lawinowego i proces ten trwa. Można to zrozumieć na poniższym rysunku.

Z tego powodu impuls prądu przyjmuje przesunięcie fazowe o 90 °. Jednak zamiast tam być, przesuwa się w kierunku katody z powodu zastosowanego odwrotnego odchylenia. Czas potrzebny, aby impuls dotarł do katody, zależy od grubościn+warstwę, która jest dostosowana do przesunięcia fazowego o 90 °. Teraz udowodniono, że istnieje dynamiczna ujemna rezystancja RF. Stąd dioda IMPATT działa zarówno jako oscylator, jak i wzmacniacz.

Poniższy rysunek przedstawia szczegóły konstrukcyjne diody IMPATT.

Sprawność diody IMPATT jest reprezentowana jako

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

Gdzie,

• $ P_ {ac} $ = zasilanie AC

• $ P_ {dc} $ = moc prądu stałego

• $ V_a \: \ & \: I_a $ = napięcie i prąd AC

• $ V_d \: \ & \: I_d $ = napięcie i prąd DC

Niedogodności

Poniżej przedstawiono wady diody IMPATT.

• Jest głośno, ponieważ lawina to hałaśliwy proces
• Zakres strojenia nie jest tak dobry jak w diodach Gunna

Aplikacje

Poniżej przedstawiono zastosowania diody IMPATT.

• Oscylator mikrofalowy
• Generatory mikrofalowe
• Modulowany oscylator wyjściowy
• Odbiornik lokalny oscylator
• Wzmocnienia ujemnej rezystancji
• Sieci alarmów włamaniowych (wysoki Q IMPATT)
• Radar policyjny (wysoki Q IMPATT)
• Nadajnik mikrofalowy małej mocy (wysoki Q IMPATT)
• Nadajnik telekomunikacyjny FM (niski Q IMPATT)
• Nadajnik radarowy CW Doppler (niski Q IMPATT)

Dioda TRAPATT

Pełna postać diody TRAPATT to TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode. Generator mikrofal działający w zakresie od setek MHz do GHz. Są to zwykle diody o dużej mocy szczytowejn+- p-p+ lub p+-n-n+struktury z obszarem ubytku typu n o szerokości od 2,5 do 1,25 µm. Przedstawia to poniższy rysunek.

Elektrony i dziury uwięzione w obszarze niskiego pola za strefą wypełniają obszar zubożenia w diodzie. Odbywa się to przez obszar lawinowy o dużym polu, który rozprzestrzenia się przez diodę.

Poniższy rysunek przedstawia wykres, na którym AB pokazuje ładowanie, BC przedstawia tworzenie się plazmy, DE - ekstrakcję plazmy, EF - resztkową ekstrakcję, a FG - ładowanie.

Zobaczmy, co dzieje się w każdym z punktów.

A:Napięcie w punkcie A nie jest wystarczające do zaistnienia lawiny. W punkcie A nośniki ładunku z powodu generowania ciepła powodują ładowanie diody jak pojemność liniowa.

A-B:W tym momencie wielkość pola elektrycznego wzrasta. Gdy generowana jest wystarczająca liczba nośników, pole elektryczne jest obniżane w całym obszarze zubożenia, powodując spadek napięcia z B do C.

C:Ładunek ten pomaga kontynuować lawinę i tworzy gęstą plazmę elektronów i dziur. Pole jest dalej obniżane, aby nie wypuścić elektronów lub dziur z warstwy zubożonej i zatrzymać pozostałą plazmę.

D: Napięcie spada w punkcie D. Do oczyszczenia plazmy potrzebny jest długi czas, ponieważ całkowity ładunek plazmy jest duży w porównaniu z ładunkiem na jednostkę czasu w prądzie zewnętrznym.

E:W punkcie E plazma jest usuwana. Resztkowe ładunki dziur i elektronów pozostają na jednym końcu warstwy odchylającej.

E to F: Napięcie wzrasta, gdy ładunek resztkowy jest usuwany.

F: W punkcie F cały ładunek generowany wewnętrznie jest usuwany.

F to G: Dioda ładuje się jak kondensator.

G:W punkcie G prąd diody spada do zera na pół okresu. Napięcie pozostaje stałe, jak pokazano na powyższym wykresie. Ten stan trwa do momentu ponownego włączenia się prądu i powtórzenia cyklu.

Prędkość strefy lawinowej $ V_s $ jest reprezentowana jako

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

Gdzie

• $J$ = Gęstość prądu

• $q$= Ładunek elektronów 1,6 x ^10-19

• $ N_A $ = stężenie dopingu

Strefa lawinowa szybko omieści większość diody, a czas przejścia nośników jest przedstawiony jako

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

Gdzie

• $ V_s $ = prędkość dryfu nasyconego nośnika

• $ L $ = długość próbki

Obliczony tutaj czas transportu to czas między wstrzyknięciem a pobraniem. Powtarzane działanie zwiększa moc wyjściową, aby uczynić go wzmacniaczem, podczas gdy mikrofalowy filtr dolnoprzepustowy połączony bocznikiem z obwodem może sprawić, że będzie działał jako oscylator.

Aplikacje

Zastosowań tej diody jest wiele.

• Radary dopplerowskie małej mocy
• Lokalny oscylator do radarów
• Mikrofalowy system lądowania latarni
• Wysokościomierz radiowy
• Radar z układem fazowym itp.

Dioda BARITT

Pełna forma BARITT Diode is BARrier Injection Transit Time diode. To najnowszy wynalazek w tej rodzinie. Chociaż diody te mają długie obszary dryfu, takie jak diody IMPATT, wtrysk nośnika w diodach BARITT jest spowodowany przez złącza skierowane do przodu, ale nie z plazmy obszaru lawinowego, jak w nich.

W diodach IMPATT wtrysk nośnika jest dość głośny ze względu na jonizację uderzeniową. W diodach BARITT, aby uniknąć szumów, wstrzyknięcie nośnika jest realizowane przez przebicie obszaru zubożenia. Ujemną rezystancję w diodzie BARITT uzyskuje się ze względu na przesunięcie wprowadzonych otworów do końca kolektorowego diody, wykonanego z materiału typu p.

Poniższy rysunek przedstawia szczegóły konstrukcyjne diody BARITT.

Dla m-n-m Dioda BARITT, Ps-Si Bariera Schottky'ego styka się z metalami n-type Si waferpomiędzy. Gwałtowny wzrost prądu przy przyłożonym napięciu (powyżej 30 V) jest spowodowany wtryskiem termionowego otworu do półprzewodnika.

Napięcie krytyczne $ (Vc) $ zależy od stałej domieszkowania $ (N) $, długości półprzewodnika $ (L) $ oraz przenikalności dielektrycznej półprzewodnika $ (\ epsilon S) $ przedstawionej jako

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

Monolityczny układ scalony mikrofal (MMIC)

Mikrofalowe układy scalone są najlepszą alternatywą dla konwencjonalnych obwodów falowodowych lub współosiowych, ponieważ są lekkie, małe, wysoce niezawodne i odtwarzalne. Podstawowymi materiałami używanymi do monolitycznych mikrofalowych układów scalonych są -

• Materiał podłoża
• Materiał przewodnika
• Folie dielektryczne
• Folie rezystancyjne

Są one tak dobrane, aby miały idealne właściwości i wysoką wydajność. Podłoże, na którym wykonywane są elementy obwodów, jest ważne, ponieważ stała dielektryczna materiału powinna być wysoka przy niskim współczynniku rozpraszania, a także innych idealnych właściwościach. Zastosowane materiały podłoża to GaAs, ferryt / granat, aluminium, beryl, szkło i rutyl.

Materiał przewodnika jest tak dobrany, aby miał wysoką przewodność, niski współczynnik oporu temperaturowego, dobrą przyczepność do podłoża i trawienia itp. Jako materiały przewodzące stosuje się głównie aluminium, miedź, złoto i srebro. Materiały dielektryczne i rezystancyjne są tak dobrane, aby miały niskie straty i dobrą stabilność.

Technologia wytwarzania

W hybrydowych układach scalonych elementy półprzewodnikowe i pasywne elementy obwodów są utworzone na podłożu dielektrycznym. Obwody pasywne są elementami rozproszonymi lub skupionymi lub połączeniem obu.

Hybrydowe układy scalone są dwojakiego rodzaju.

• Hybrydowy układ scalony
• Miniaturowy hybrydowy układ scalony

W obu powyższych procesach hybrydowy układ scalony wykorzystuje rozproszone elementy obwodu, które są wytwarzane na układach scalonych przy użyciu techniki metalizacji jednowarstwowej, podczas gdy miniaturowy hybrydowy układ scalony wykorzystuje elementy wielopoziomowe.

Większość obwodów analogowych wykorzystuje technologię izolacji mezo do izolowania aktywnych obszarów typu n stosowanych w tranzystorach FET i diodach. Obwody planarne są wytwarzane poprzez wszczepianie jonów do półizolacyjnego podłoża, a dla zapewnienia izolacji obszary są maskowane.

"Via hole„Technologia jest używana do połączenia źródła z elektrodami źródłowymi podłączonymi do ziemi w tranzystorze FET GaAs, co pokazano na poniższym rysunku.

Istnieje wiele zastosowań MMIC.

• Komunikacja wojskowa
• Radar
• ECM
• Systemy antenowe z układem fazowym
• Systemy widma rozproszonego i TDMA

Są opłacalne i są również używane w wielu domowych zastosowaniach konsumenckich, takich jak DTH, telekomunikacja i oprzyrządowanie itp.