Приборы времени прохождения лавин

Процесс задержки между напряжением и током в лавине вместе со временем прохождения через материал называется отрицательным сопротивлением. Устройства, которые помогают добиться того, чтобы диод проявлял это свойство, называютсяAvalanche transit time devices.

Примеры устройств, которые подпадают под эту категорию, - это диоды IMPATT, TRAPATT и BARITT. Рассмотрим подробнее каждый из них.

IMPATT диод

Это мощный полупроводниковый диод, используемый в высокочастотных СВЧ-устройствах. Полная форма IMPATT -IMPact ionization Avalanche Transit Time diode.

Градиент напряжения при приложении к диоду IMPATT приводит к высокому току. Обычный диод в конечном итоге выйдет из строя. Однако диод IMPATT разработан, чтобы выдерживать все это. Для обратного смещения диода применяется высокий градиент потенциала, и, следовательно, неосновные носители проходят через переход.

Приложение переменного высокочастотного напряжения, если оно наложено на высокое постоянное напряжение, увеличивает скорость дырок и электронов, что приводит к появлению дополнительных дырок и электронов, выбивая их из кристаллической структуры за счет ударной ионизации. Если исходное приложенное 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 сдвигается по фазе на 90 °. Однако вместо того, чтобы быть там, он движется к катоду из-за приложенного обратного смещения. Время, необходимое для достижения импульса катода, зависит от толщиныn+слой, который настроен на сдвиг фазы на 90 °. Теперь доказано, что существует динамическое отрицательное сопротивление RF. Следовательно, диод IMPATT действует как генератор и усилитель.

На следующем рисунке показаны детали конструкции IMPATT-диода.

КПД диода IMPATT представлен как

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

Где,

• $ 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 диода IMPATT.

• Шумно, так как сход лавины - шумный процесс
• Диапазон настройки не такой хороший, как у диодов Ганна

Приложения

Ниже приведены применения диода IMPATT.

• СВЧ-генератор
• Генераторы СВЧ
• Модулированный выходной генератор
• Гетеродин приемника
• Усиление отрицательного сопротивления
• Сети охранной сигнализации (высокий Q IMPATT)
• Полицейский радар (высокий Q IMPATT)
• Маломощный микроволновый передатчик (высокий Q IMPATT)
• FM-передатчик для телекоммуникаций (низкий Q IMPATT)
• CW доплеровский радиолокационный передатчик (низкий Q IMPATT)

ТРАПАТТ диод

Полная форма диода TRAPATT TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode. СВЧ-генератор, работающий в диапазоне от сотен МГц до ГГц. Обычно это диоды с высокой пиковой мощностью.n+- p-p+ или же p+-n-n+структуры с обедненной областью n-типа шириной от 2,5 до 1,25 мкм. На следующем рисунке это показано.

Электроны и дырки, захваченные в области слабого поля за зоной, заставляют заполнять обедненную область в диоде. Это достигается за счет лавинной области сильного поля, которая распространяется через диод.

На следующем рисунке показан график, на котором AB показывает зарядку, BC показывает образование плазмы, DE показывает экстракцию плазмы, EF показывает остаточную экстракцию, а FG показывает зарядку.

Посмотрим, что происходит в каждой из точек.

A:Напряжения в точке А недостаточно для лавинного пробоя. В точке A носители заряда из-за теплового образования приводят к заряду диода, как линейная емкость.

A-B:В этот момент величина электрического поля увеличивается. Когда генерируется достаточное количество носителей, электрическое поле понижается во всей области истощения, вызывая снижение напряжения с B до C.

C:Этот заряд помогает лавине продолжаться и создается плотная плазма из электронов и дырок. Поле дополнительно снижается, чтобы не позволить электронам или дыркам выйти из обедненного слоя, и захватывает оставшуюся плазму.

D: Напряжение уменьшается в точке D. Для очистки плазмы требуется много времени, 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 на каждом конце отклоняющего слоя.

E to F: Напряжение увеличивается по мере удаления остаточного заряда.

F: В точке F весь заряд, генерируемый внутри, удаляется.

F to G: Диод заряжается как конденсатор.

G:В точке G ток диода на полпериода стремится к нулю. Напряжение остается постоянным, как показано на графике выше. Это состояние продолжается до тех пор, пока не вернется ток, и цикл не повторится.

Скорость зоны лавины $ V_s $ представлена ​​как

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

где

• $J$ = Плотность тока

• $q$= Заряд электрона 1,6 x ^10-19

• $ N_A $ = концентрация допинга

Зона лавины быстро охватит большую часть диода, и время прохождения носителей представлено как

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

где

• $ V_s $ = Скорость дрейфа насыщенных носителей

• $ L $ = длина образца

Рассчитанное здесь время прохождения - это время между инъекцией и сбором. Повторяющееся действие увеличивает выходную мощность, чтобы сделать его усилителем, тогда как микроволновый фильтр нижних частот, соединенный шунтом со схемой, может заставить его работать как генератор.

Приложения

У этого диода много применений.

• Доплеровские радары малой мощности
• Гетеродин для радаров
• Система посадки СВЧ-маяка
• Радиовысотомер
• РЛС с фазированной антенной решеткой и др.

БАРИТ диод

Полная форма BARITT Diode is BARrier Injection Transit Time diode. Это последнее изобретение в этом семействе. Хотя у этих диодов есть длинные области дрейфа, как у диодов IMPATT, инжекция носителей в диодах BARITT вызывается прямыми смещенными переходами, а не плазмой лавинной области, как в них.

В диодах IMPATT инжекция носителей довольно шумная из-за ударной ионизации. В диодах BARITT, чтобы избежать шума, инжекция несущей обеспечивается путем пробивания обедненной области. Отрицательное сопротивление в диоде BARITT получается из-за смещения инжектированных отверстий к концу коллектора диода, сделанного из материала p-типа.

На следующем рисунке показаны детали конструкции диода BARITT.

Для m-n-m Диод БАРИТА, Ps-Si Барьер Шоттки контактирует с металлами с n-type Si waferмежду. Быстрое увеличение тока с приложенным напряжением (выше 30 В) происходит из-за термоэлектронной инжекции дырок в полупроводник.

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

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

Монолитная интегральная схема СВЧ (MMIC)

Микроволновые микросхемы - лучшая альтернатива обычным волноводным или коаксиальным схемам, поскольку они малы по весу, малым размерам, очень надежны и воспроизводимы. Основные материалы, используемые для монолитных СВЧ интегральных схем:

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

Они выбраны таким образом, 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. В качестве материалов подложки используются GaAs, феррит / гранат, алюминий, бериллий, стекло и рутил.

Материал проводника выбирается таким образом, чтобы он имел высокую проводимость, низкий температурный коэффициент сопротивления, хорошую адгезию к подложке и травлению и т. Д. В качестве материалов проводников в основном используются алюминий, медь, золото и серебро. Диэлектрические материалы и резистивные материалы выбраны таким образом, чтобы они имели низкие потери и хорошую стабильность.

Технология изготовления

В гибридных интегральных схемах полупроводниковые устройства и пассивные элементы схемы сформированы на диэлектрической подложке. Пассивные схемы представляют собой либо распределенные, либо сосредоточенные элементы, либо их комбинацию.

Гибридные интегральные схемы бывают двух типов.

• Гибридная ИС
• Миниатюрная гибридная ИС

В обоих вышеупомянутых процессах гибридная ИС использует элементы распределенной схемы, которые изготавливаются на ИС с использованием техники однослойной металлизации, тогда как Миниатюрная гибридная ИС использует многоуровневые элементы.

В большинстве аналоговых схем используется технология мезоизоляции для изоляции активных областей n-типа, используемых для полевых транзисторов и диодов. Планарные схемы изготавливаются путем имплантации ионов в полуизолирующую подложку, а для обеспечения изоляции участки маскируются.

"Via hole«Технология используется для соединения источника с электродами источника, подключенными к земле, в полевом транзисторе из GaAs, который показан на следующем рисунке.

Есть много применений MMIC.

• Военная связь
• Radar
• ECM
• Фазированные антенные системы
• Системы с расширенным спектром и TDMA

Они экономичны и также используются во многих бытовых потребительских приложениях, таких как DTH, телекоммуникации, приборы и т. Д.