อุปกรณ์ Avalanche Transit Time

กระบวนการที่มีความล่าช้าระหว่างแรงดันและกระแสในหิมะถล่มร่วมกับเวลาในการขนส่งผ่านวัสดุกล่าวว่าเป็นความต้านทานเชิงลบ อุปกรณ์ที่ช่วยสร้างไดโอดแสดงคุณสมบัตินี้เรียกว่าเป็นAvalanche transit time devices.

ตัวอย่างของอุปกรณ์ที่อยู่ในประเภทนี้ ได้แก่ ไดโอด IMPATT, TRAPATT และ BARITT ให้เราดูรายละเอียดแต่ละรายการ

อิมแพทไดโอด

นี่คือไดโอดเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงซึ่งใช้ในงานไมโครเวฟความถี่สูง IMPATT แบบเต็มคือIMPact ionization Avalanche Transit Time diode.

การไล่ระดับแรงดันไฟฟ้าเมื่อใช้กับไดโอด IMPATT จะส่งผลให้กระแสไฟฟ้าสูง ในที่สุดไดโอดธรรมดาก็จะสลายตามสิ่งนี้ อย่างไรก็ตามไดโอด IMPATT ได้รับการพัฒนาให้ทนทานต่อสิ่งเหล่านี้ทั้งหมด การไล่ระดับสีที่มีศักยภาพสูงจะถูกนำไปใช้เพื่อแบ็คไบแอสไดโอดและด้วยเหตุนี้พาหะของชนกลุ่มน้อยจึงไหลข้ามทางแยก

การประยุกต์ใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ RF หากวางทับบนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงความเร็วของรูและอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นจะส่งผลให้มีรูและอิเล็กตรอนเพิ่มเติมโดยการเหวี่ยงออกจากโครงสร้างผลึกโดยอิมแพ็คอิออไนเซชัน หากฟิลด์ DC เดิมที่ใช้อยู่ที่เกณฑ์ของการพัฒนาสถานการณ์นี้จะนำไปสู่การคูณปัจจุบันของหิมะถล่มและกระบวนการนี้จะดำเนินต่อไป สิ่งนี้สามารถเข้าใจได้จากรูปต่อไปนี้

เนื่องจากผลกระทบนี้พัลส์ปัจจุบันจึงมีการเลื่อนเฟส 90 ° อย่างไรก็ตามแทนที่จะอยู่ที่นั่นมันจะเคลื่อนไปทางแคโทดเนื่องจากใช้อคติย้อนกลับ เวลาที่พัลส์ถึงแคโทดขึ้นอยู่กับความหนาของn+ชั้นซึ่งปรับเพื่อให้กะระยะ 90 ° ตอนนี้ความต้านทานเชิงลบ RF แบบไดนามิกได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีอยู่จริง ดังนั้นไดโอด IMPATT จึงทำหน้าที่เป็นทั้งออสซิลเลเตอร์และเครื่องขยายเสียง

รูปต่อไปนี้แสดงรายละเอียดโครงสร้างของไดโอด IMPATT

ประสิทธิภาพของไดโอด IMPATT แสดงเป็น

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

ที่ไหน

  • $ P_ {ac} $ = ไฟ AC

  • $ P_ {dc} $ = ไฟฟ้ากระแสตรง

  • $ V_a \: \ & \: I_a $ = แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสไฟฟ้า

  • $ V_d \: \ & \: I_d $ = แรงดันและกระแสไฟฟ้ากระแสตรง

ข้อเสีย

ต่อไปนี้เป็นข้อเสียของไดโอด IMPATT

  • มีเสียงดังเนื่องจากหิมะถล่มเป็นกระบวนการที่มีเสียงดัง
  • ช่วงการปรับจูนไม่ดีเท่ากันนไดโอด

การใช้งาน

ต่อไปนี้เป็นการใช้งานไดโอด IMPATT

  • ไมโครเวฟออสซิลเลเตอร์
  • เครื่องกำเนิดไมโครเวฟ
  • ออสซิลเลเตอร์เอาต์พุตแบบมอดูเลต
  • รับออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น
  • การขยายความต้านทานเชิงลบ
  • เครือข่ายสัญญาณเตือนการบุกรุก (Q IMPATT สูง)
  • เรดาร์ตำรวจ (Q IMPATT สูง)
  • เครื่องส่งไมโครเวฟพลังงานต่ำ (High Q IMPATT)
  • เครื่องส่งสัญญาณโทรคมนาคม FM (Q IMPATT ต่ำ)
  • เครื่องส่งเรดาร์ CW ​​Doppler (Q IMPATT ต่ำ)

TRAPATT ไดโอด

ไดโอด TRAPATT เต็มรูปแบบคือ TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode. เครื่องกำเนิดไมโครเวฟซึ่งทำงานระหว่างหลายร้อย MHz ถึง GHz เหล่านี้เป็นไดโอดพลังงานสูงสุดโดยปกติn+- p-p+ หรือ p+-n-n+โครงสร้างที่มีพื้นที่พร่องแบบ n ความกว้างแตกต่างกันไปตั้งแต่ 2.5 ถึง 1.25 ม. รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงสิ่งนี้

อิเล็กตรอนและรูที่ติดอยู่ในพื้นที่สนามต่ำด้านหลังโซนถูกสร้างขึ้นเพื่อเติมเต็มพื้นที่พร่องในไดโอด สิ่งนี้ทำได้โดยพื้นที่หิมะถล่มในสนามสูงซึ่งแพร่กระจายผ่านไดโอด

รูปต่อไปนี้แสดงกราฟที่ AB แสดงการชาร์จ BC แสดงการก่อตัวของพลาสมา DE แสดงการสกัดพลาสม่า EF แสดงการสกัดที่เหลือและ FG แสดงการชาร์จ

ให้เราดูว่าเกิดอะไรขึ้นในแต่ละจุด

A:แรงดันไฟฟ้าที่จุด A ไม่เพียงพอสำหรับการพังทลายของหิมะถล่ม ที่ A ผู้ให้บริการประจุไฟฟ้าเนื่องจากการสร้างความร้อนส่งผลให้เกิดการชาร์จไดโอดเหมือนความจุเชิงเส้น

A-B:เมื่อถึงจุดนี้ขนาดของสนามไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น เมื่อมีผู้ให้บริการจำนวนเพียงพอสนามไฟฟ้าจะถูกกดลงตลอดทั้งบริเวณการพร่องทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงจาก B ถึง C

C:ประจุนี้ช่วยให้หิมะถล่มดำเนินต่อไปและมีการสร้างพลาสมาของอิเล็กตรอนและรูที่หนาแน่นขึ้น สนามจะถูกกดทับลงไปอีกเพื่อไม่ให้อิเล็กตรอนหรือรูหลุดออกจากชั้นพร่องและดักจับพลาสม่าที่เหลืออยู่

D: แรงดันไฟฟ้าลดลงที่จุด D ต้องใช้เวลานานในการล้างพลาสมาเนื่องจากประจุพลาสมาทั้งหมดมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับประจุต่อหน่วยเวลาในกระแสไฟฟ้าภายนอก

E:ที่จุด E พลาสม่าจะถูกลบออก ประจุไฟฟ้าตกค้างของรูและอิเล็กตรอนยังคงอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของชั้นโก่ง

E to F: แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเมื่อนำประจุตกค้างออก

F: เมื่อถึงจุด F ค่าใช้จ่ายทั้งหมดที่สร้างขึ้นภายในจะถูกลบออก

F to G: ไดโอดมีประจุเหมือนตัวเก็บประจุ

G:ที่จุด G กระแสไดโอดจะเป็นศูนย์เป็นเวลาครึ่งคาบ แรงดันไฟฟ้ายังคงที่ดังแสดงในกราฟด้านบน สถานะนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่ากระแสจะกลับมาและวงจรจะวนซ้ำ

ความเร็วโซนหิมะถล่ม $ V_s $ แสดงเป็น

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

ที่ไหน

  • $J$ = ความหนาแน่นกระแส

  • $q$= ประจุอิเล็กตรอน 1.6 x 10 -19

  • $ N_A $ = ความเข้มข้นของยาสลบ

เขตหิมะถล่มจะกวาดไปทั่วไดโอดส่วนใหญ่อย่างรวดเร็วและเวลาขนส่งของสายการบินจะแสดงเป็น

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

ที่ไหน

  • $ V_s $ = ความเร็วดริฟท์ของผู้ให้บริการอิ่มตัว

  • $ L $ = ความยาวของชิ้นงาน

เวลาขนส่งที่คำนวณได้ที่นี่คือเวลาระหว่างการฉีดและการเก็บรวบรวม การกระทำซ้ำ ๆ จะเพิ่มเอาต์พุตเพื่อทำให้เป็นเครื่องขยายเสียงในขณะที่ตัวกรองความถี่ต่ำของไมโครเวฟที่เชื่อมต่อแบบแบ่งกับวงจรสามารถทำให้มันทำงานเป็นออสซิลเลเตอร์ได้

การใช้งาน

มีหลายแอปพลิเคชันของไดโอดนี้

  • เรดาร์ดอปเปลอร์พลังงานต่ำ
  • ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นสำหรับเรดาร์
  • ระบบเชื่อมต่อสัญญาณไมโครเวฟ
  • เครื่องวัดระยะสูงวิทยุ
  • เรดาร์อาร์เรย์แบบแบ่งขั้นตอน ฯลฯ

BARITT ไดโอด

รูปแบบเต็มของ BARITT Diode is BARrier Injection Transit Time diode. สิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งประดิษฐ์ล่าสุดในตระกูลนี้ แม้ว่าไดโอดเหล่านี้จะมีพื้นที่ดริฟท์ยาวเช่นไดโอด IMPATT แต่การฉีดพาหะในไดโอด BARITT นั้นเกิดจากการเชื่อมต่อแบบเอนเอียงไปข้างหน้า แต่ไม่ใช่จากพลาสม่าของพื้นที่หิมะถล่มเหมือนในพลาสมา

ในไดโอด IMPATT การฉีดพาหะค่อนข้างมีเสียงดังเนื่องจากไอออไนเซชันกระทบ ในไดโอด BARITT เพื่อหลีกเลี่ยงเสียงรบกวนการฉีดพาหะจะได้รับจากการเจาะผ่านบริเวณพร่อง ความต้านทานเชิงลบในไดโอด BARITT จะได้รับจากการลอยของรูที่ฉีดไปยังปลายตัวเก็บรวบรวมของไดโอดซึ่งทำจากวัสดุประเภท p

รูปต่อไปนี้แสดงรายละเอียดโครงสร้างของไดโอด BARITT

สำหรับ m-n-m BARITT ไดโอด Ps-Si สิ่งกีดขวาง Schottky สัมผัสกับโลหะด้วย n-type Si waferในระหว่าง. กระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ (สูงกว่า 30v) เกิดจากการฉีดรูเทอร์มิโอนิกลงในเซมิคอนดักเตอร์

แรงดันไฟฟ้าวิกฤต $ (Vc) $ ขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของยาสลบ $ (N) $ ความยาวของเซมิคอนดักเตอร์ $ (L) $ และการอนุญาตไดอิเล็กทริกของเซมิคอนดักเตอร์ $ (\ epsilon S) $ แสดงเป็น

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

วงจรรวมไมโครเวฟเสาหิน (MMIC)

IC ไมโครเวฟเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับวงจรท่อนำคลื่นหรือโคแอกเซียลแบบเดิมเนื่องจากมีน้ำหนักเบามีขนาดเล็กมีความน่าเชื่อถือสูงและทำซ้ำได้ วัสดุพื้นฐานที่ใช้สำหรับวงจรรวมไมโครเวฟเสาหิน ได้แก่ -

  • วัสดุพื้นผิว
  • วัสดุตัวนำ
  • ฟิล์มอิเล็กทริก
  • ฟิล์มต้านทาน

สิ่งเหล่านี้ได้รับการคัดเลือกให้มีลักษณะที่เหมาะสมและมีประสิทธิภาพสูง พื้นผิวที่องค์ประกอบของวงจรถูกประดิษฐ์ขึ้นมีความสำคัญเนื่องจากค่าคงที่เป็นฉนวนของวัสดุควรสูงและมีค่าการกระจายตัวต่ำพร้อมกับคุณสมบัติในอุดมคติอื่น ๆ วัสดุพื้นผิวที่ใช้ ได้แก่ GaAs เฟอร์ไรต์ / โกเมนอลูมิเนียมเบริลเลียมแก้วและไหมทอง

วัสดุตัวนำได้รับการคัดเลือกให้มีค่าการนำไฟฟ้าสูงค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานอุณหภูมิต่ำการยึดเกาะที่ดีกับพื้นผิวและการแกะสลักเป็นต้นอลูมิเนียมทองแดงทองและเงินส่วนใหญ่ใช้เป็นวัสดุตัวนำ วัสดุอิเล็กทริกและวัสดุต้านทานได้รับการคัดเลือกให้มีการสูญเสียต่ำและมีเสถียรภาพที่ดี

เทคโนโลยีการประดิษฐ์

ในวงจรรวมไฮบริดอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และองค์ประกอบวงจรพาสซีฟจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวอิเล็กทริก วงจรพาสซีฟเป็นองค์ประกอบแบบกระจายหรือเป็นก้อนหรือทั้งสองอย่างรวมกัน

วงจรรวมไฮบริดมีสองประเภท

  • IC แบบไฮบริด
  • IC ไฮบริดขนาดเล็ก

ในทั้งสองกระบวนการข้างต้น Hybrid IC ใช้องค์ประกอบวงจรแบบกระจายที่ประดิษฐ์บน IC โดยใช้เทคนิคการเคลือบโลหะแบบชั้นเดียวในขณะที่ IC ไฮบริดขนาดเล็กใช้องค์ประกอบหลายระดับ

วงจรอะนาล็อกส่วนใหญ่ใช้เทคโนโลยีการแยกเมโซเพื่อแยกพื้นที่ชนิดเอ็นที่ใช้งานสำหรับ FET และไดโอด วงจรระนาบถูกสร้างขึ้นโดยการฝังไอออนลงในพื้นผิวกึ่งฉนวนและเพื่อแยกส่วนที่ถูกปิดบัง

"Via hole"เทคโนโลยีนี้ใช้ในการเชื่อมต่อแหล่งที่มาด้วยอิเล็กโทรดต้นทางที่เชื่อมต่อกับกราวด์ใน GaAs FET ซึ่งแสดงในรูปต่อไปนี้

มีแอพพลิเคชั่น MMIC มากมาย

  • การสื่อสารทางทหาร
  • Radar
  • ECM
  • ระบบเสาอากาศแบบค่อยเป็นค่อยไป
  • กระจายสเปกตรัมและระบบ TDMA

ประหยัดค่าใช้จ่ายและยังใช้ในแอพพลิเคชั่นสำหรับผู้บริโภคในประเทศจำนวนมากเช่น DTH โทรคมนาคมและเครื่องมือวัดเป็นต้น