Diode Impatt Fonctionnement:
Le fonctionnement de la diode Impatt est une combinaison de retard impliqué dans la génération de multiplication du courant d’avalanche, ainsi que du retard due au temps de transit à travers un espace de dérive, fournit la différence de phase nécessaire à 180 ° entre la tension appliquée et le courant résultant dans une diode Impatt fonctionnant.
La section transversale de la région active de ce dispositif est illustrée à la figure 12-28. Notez qu’il s’agit d’une diode, la jonction étant entre le P + et les couches informatiques.
Un gradient de tension extrêmement élevée est appliqué au travail de la diode Impatt, de l’ordre de 400 kV / cm, entraînant finalement un courant très élevé.
Une diode normale se décomposerait très rapidement dans ces conditions, mais la diode Impatt est construite de manière à pouvoir résister à ces conditions à plusieurs reprises. Par exemple, une diode normale se décompose dans des conditions d’avalanche en raison des énormes pouvoirs générés.
Considérez que l’épaisseur de la région active d’une diode d’Impatt est quelques micromètres, pour assurer le temps de transit correct pour le fonctionnement des micro-ondes. Sa zone transversale est également minuscule, pour assurer une petite capacité.
Avec le gradient à haute tension et le courant élevé qui en résulte, la puissance générée est de l’ordre de 100 MW / cm3.
Le retard entre la proposition de diode Impatt et sa première réalisation a été dû en grande partie aux problèmes liés à la dissipation de ces grandes quantités de chaleur.
Cela devait être fait, pour assurer une température de fonctionnement de manière satisfaisante pour le fonctionnement de la diode Impatt, afin qu’elle ne soit pas détruite par la fonte. Les températures de fonctionnement typiques des diodes commerciales sont de l’ordre de 250 ° C.
Un gradient potentiel aussi élevé, le back-biaisage de la diode, provoque un flux de porteurs minoritaires à travers la jonction. S’il est maintenant supposé qu’il existe des oscillations, nous pouvons considérer l’effet d’une balançoire positive de la tension RF superposée au-dessus de la tension à courant continu élevé.
La vitesse des électrons et des trous est maintenant devenue si élevée que ces porteurs forment des trous et des électrons supplémentaires en les faisant sortir de la structure cristalline, par l’ionisation dite d’impact.
Ces transporteurs supplémentaires continuent le processus à la jonction, et il est maintenant en train de neige dans une avalanche.
Si le champ CC d’origine était juste au seuil de permettre à cette situation de se développer, cette tension sera dépassée pendant tout le cycle RF positif, et la multiplication du courant d’avalanche aura lieu pendant tout ce temps.
Puisqu’il s’agit d’un processus de multiplication, l’avalanche n’est pas instantanée. Comme le montre la figure 12-28, le processus prend un temps tel que le maximum d’impulsion de courant, à la jonction, se produit à l’instant où la tension RE à travers la diode est nul et devient négative. Une différence de phase de 90 ° entre la tension et le courant a été obtenue.
L’impulsion actuelle dans la diode Impatt Working est située à la jonction. Cependant, il ne reste pas là. En raison du biais inverse, l’impulsion de courant s’écoule vers la cathode, à une vitesse de dérive dépend de la présence du champ CC élevé.
Le temps pris par l’impulsion pour atteindre la cathode dépend de cette vitesse et bien sûr de l’épaisseur de la couche hautement dopée (n +).
L’épaisseur de la région de dérive est rarement sélectionnée de sorte que le temps pris pour que l’impulsion de courant arrive à la cathode correspond à une différence de phase supplémentaire de 90 °.
Comme le montre la figure 12-29, lorsque l’impulsion de courant arrive réellement à la borne cathode, la tension RF y est à son pic négatif. La tension et le courant dans la diode Impatt sont à 180 ° de phase, et une résistance négative dynamique RF s’est avérée existante.
Une telle résistance négative se prête à utiliser dans les oscillateurs ou les amplificateurs. En raison des temps peu impliqués, ceux-ci peuvent être micro-ondes. Notez que l’épaisseur de l’appareil détermine le temps de transit, auquel la diode Impatt est très sensible.
Contrairement à la diode Gunn, la diode Impatt est essentiellement un dispositif à bande étroite (en particulier lorsqu’elle est utilisée dans un amplificateur).
Considérations pratiques:
Des diodes d’impatatt commerciales sont disponibles depuis un certain temps. Ils sont faits de silicium, d’arséniure de gallium ou même de phosphure d’indium. Les diodes sont principalement Mesa et la croissance épitaxiale est utilisée pendant au moins une partie de la puce; Certains ont des jonctions de barrière Schottky.
L’arséniure de gallium est théoriquement préférable et devrait donner un bruit plus faible, une efficacité plus élevée et des fréquences de fonctionnement maximales plus élevées. Cependant, le silicium est moins cher et plus facile à fabriquer.
En conséquence, les diodes en silicium Impatt, qui sont venues en premier, sont même maintenant préférées pour de nombreuses applications; En effet, ce sont les diodes de silicium qui fournissent actuellement les pouvoirs de production les plus élevés aux fréquences de fonctionnement les plus élevées (plus de 200 GHz).
La diode Impatt fonctionnant sur la figure 12-30 est une diode commerciale typique à utiliser en dessous d’environ 50 GHz et pourrait abriter un GAAS ou une puce SI. À des fréquences plus élevées, les packages à pointe de faisceau presque identiques à l’apparence à ceux illustrés à la figure 12-5 ont tendance à être préférés.
La construction est trompeusement simple. Cependant, beaucoup de réflexion et de développement sont entrés dans sa fabrication, en particulier les contacts, qui doivent avoir une résistance ohmique et thermique extrêmement faible.
De plus, dans un circuit pratique, la diode Impatt est généralement intégrée dans la paroi d’une cavité, qui agit ensuite comme un dissipateur de chaleur externe.
Jusqu’à il y a quelques années, les diodes d’impatt pratiques étaient différentes de la proposition originale de Read. Cela prévoyait une région à double dérive, tandis que les figures 12-28 et 12-30 présentent des diodes avec des régions de dérive unique (n +).
La raison du départ initial par rapport à ce qui était théoriquement une structure plus efficace était une difficulté de fabrication, mais ce problème a maintenant été résolu. Pendant quelques années, des diodes d’impatre avec deux régions de dérive (l’une n + et l’autre p +) ont été faites commercialement.
Dans le processus de fabrication, une couche N est cultivée épitaxiale sur un substrat N +. La couche P est ensuite cultivée épitaxiale ou par implantation ionique, et finalement la couche P + est formée par diffusion.
Ces dispositifs P + -Pn-N + étaient d’abord connus sous le nom de diodes Rimpatt (Read-Impatt), mais elles sont maintenant connues sous le nom de diodes d’impatt à double dérive. Ce sont sans aucun doute les versions utilisées aux fréquences les plus élevées et pour les pouvoirs de sortie les plus élevés.