Impatt diode – impatt
Impatt -Diodenoperation:
Die Funktionsweise der Impatt -Diode ist eine Verzögerungskombination, die an der Erzeugung der Multiplikation des Lawinenstroms sowie der Verzögerung aufgrund der Transitzeit durch einen Driftraum beteiligt ist, liefert den bei 180 ° zwischen der angelegten Spannung und dem resultierenden Strom in einem funktionierenden Impat -Diode erforderlichen Phasendifferenz.
Der Transversalabschnitt des aktiven Bereichs dieses Geräts ist in Abbildung 12-28 dargestellt. Beachten Sie, dass dies eine Diode ist, wobei der Übergang zwischen P + und Computerschichten liegt.
Ein extrem hoher Spannungsgradienten wird auf die Arbeit der Impatt -Diode angewendet, etwa 400 kV / cm, was letztendlich einen sehr hohen Strom verursacht.
Eine normale Diode würde sich unter diesen Bedingungen sehr schnell zerlegen, aber die Impatt -Diode wird so gebaut, dass diese Bedingungen mehrmals widerstehen können. Beispielsweise bricht eine normale Diode unter Lawinenbedingungen aufgrund der enormen Kräfte zusammen.
Bedenken Sie, dass die Dicke des aktiven Bereichs einer Steuerdiode einige Mikrometer beträgt, um die korrekte Transitzeit für den Betrieb von Mikrowellen zu gewährleisten. Der Transversalbereich ist ebenfalls winzig, um eine geringe Kapazität zu gewährleisten.
Mit dem Hochspannungsgradienten und dem hohen Strom, der dazu führt, beträgt die erzeugte Leistung etwa 100 mw / cm3.
Die Verzögerung zwischen dem Vorschlag von Dioden -Impatt und seiner ersten Leistung war hauptsächlich auf die Probleme zurückzuführen, die mit der Ablassung dieser großen Wärmemengen verbunden waren.
Dies musste erledigt werden, um eine zufriedenstellende Betriebstemperatur für den Betrieb der Impatt -Diode zu gewährleisten, damit sie nicht vom Gusseisen zerstört wird. Die typischen Betriebstemperaturen von kommerziellen Dioden liegen bei etwa 250 ° C.
Ein potenzieller Gradient als hoher Rückstand der Diode führt zu einem Fluss von Minderheitenträgern durch die Kreuzung. Wenn nun angenommen wird, dass es Schwingungen gibt, können wir den Effekt einer positiven Schwung der überlagerten HF -Spannung über der hohen Gleichstromspannung berücksichtigen.
Die Geschwindigkeit von Elektronen und Löchern ist jetzt so hoch geworden, dass diese Träger zusätzliche Löcher und Elektronen bilden, indem sie sie durch sogenannte Ionisation aus der Kristallstruktur herausbringen.
Diese zusätzlichen Fluggesellschaften setzen den Prozess an der Kreuzung fort und schneit nun in einer Lawine.
Wenn das ursprüngliche CC -Feld nur der Schwellenwert war, um diese Situation zu entwickeln, wird diese Spannung während des positiven HF -Zyklus überschritten, und die Multiplikation des Lawinenstroms erfolgt während dieser Zeit.
Da es sich um einen Multiplikationsprozess handelt, ist die Lawine nicht sofort. Wie Abbildung 12-28 zeigt, dauert der Prozess eine Zeit wie den maximalen Stromimpuls an der Übergang, zu dem Zeitpunkt, in dem die Spannung RE durch die Diode Null ist und negativ wird. Ein Phasenunterschied von 90 ° zwischen der Spannung und dem Strom wurde erhalten.
Der aktuelle Impuls in der Impatt -Arbeitsdiode befindet sich an der Kreuzung. Dort ist jedoch kein übrig geblieben. Aufgrund der entgegengesetzten Verzerrung fließt der Stromimpuls in Richtung der Kathode, bei einer Driftgeschwindigkeit hängt von der Anwesenheit des hohen CC -Feldes ab.
Die Zeit, die der Impuls zur Erreichung der Kathode benötigt, hängt von dieser Geschwindigkeit und natürlich von der Dicke der hoch dotierten Schicht (N +) ab.
Die Dicke des Driftbereichs wird selten ausgewählt, sodass die Zeit, in der der Leistungsimpuls an der Kathode ankommt, einem zusätzlichen Unterschied von 90 ° Phasen entspricht.
Wie in Abbildung 12-29 gezeigt, liegt die HF-Spannung an seinem negativen Peak. Die Spannung und der Strom in der Impatt -Diode betragen 180 ° Phase, und es hat sich erwiesen, dass ein dynamischer negativer Widerstand HF existiert.
Ein solcher negativer Widerstand ist bereit, in Oszillatoren oder Verstärkern zu verwenden. Aufgrund der betroffenen Zeiten können diese Mikrowellen sein. Beachten Sie, dass die Dicke des Geräts die Transitzeit bestimmt, zu der die Impatt -Diode sehr empfindlich ist.
Im Gegensatz zur Waffendiode ist die Impatt -Diode im Wesentlichen ein schmales Streifengerät (insbesondere bei einem Verstärker).
Praktische Überlegungen:
Seit einiger Zeit sind kommerzielle Impatatt -Dioden verfügbar. Sie bestehen aus Silizium, Galliumarseniure oder sogar Indiumphosphid. Die Dioden sind hauptsächlich Mesa und zumindest einen Teil des Chips wird epitaxielles Wachstum verwendet. Einige haben Verbindungen von Barrière Schottky.
Galliumarseniure ist theoretisch vorzuziehen und sollte geringere Rauschen, höhere Effizienz und höhere maximale Betriebsfrequenzen ergeben. Silizium ist jedoch billiger und leichter zu machen.
Infolgedessen werden Impatt -Siliziumdioden, die zuerst eintraten, sogar für viele Anwendungen bevorzugt. In der Tat sind es die Siliziumdioden, die derzeit die höchsten Produktionskräfte mit den höchsten Betriebsfrequenzen (mehr als 200 GHz) bieten.
Die in Abbildung 12-30 betriebene Impat-Diode ist eine typische kommerzielle Diode unter 50 GHz und kann einen GaAs oder einen SI-Chip beherbergen. Bei höheren Frequenzen werden Strahlspitzenpakete nahezu identisch mit dem Erscheinungsbild der in Abbildung 12-5 dargestellten Vorausgespannungen.
Die Konstruktion ist täuschend einfach. Es ist jedoch viel Reflexion und Entwicklung in seine Herstellung eingetreten, insbesondere in bestimmten Kontakten, die einen extrem niedrigen ohmischen und thermischen Widerstand aufweisen müssen.
Darüber hinaus wird in einer praktischen Schaltung die Impatt -Diode im Allgemeinen in die Wand eines Hohlraums integriert, der dann als äußerer Kühlkörper wirkt.
Bis zu einigen Jahren unterschieden sich praktische Impat -Dioden von Reads ursprünglichem Vorschlag. Dies sorgte für einen doppelten Driftbereich, während die Abbildungen 12-28 und 12-30 Dioden mit einzelnen Driftregionen (N +) aufweisen.
Der Grund für die anfängliche Abreise im Vergleich zu einer theoretisch effektiveren Struktur war eine Produktionsschwierigkeit, aber dieses Problem wurde jetzt gelöst. Für einige Jahre wurden, wie es mit Impatriate -Dioden mit zwei Driftregionen (ein N + und der andere p +) gingen, kommerziell hergestellt.
Im Herstellungsprozess wird eine Schicht auf einem N +-Substrat epitaktisch kultiviert. Die P -Schicht wird dann epitaxial oder durch Ionenimplantation kultiviert, und letztendlich wird die P + -Schicht durch Diffusion gebildet.
Diese P +-Pn-N + -Geräte wurden zuerst als Rimpatt-Dioden (Read-Impatt) bekannt, aber sie sind jetzt als Doppel-Drift-Steuerdioden bekannt. Dies sind zweifellos die Versionen, die bei den höchsten Frequenzen und für die höchsten Ausgangskräfte verwendet werden.