Жоғары Жиілікті Микротолқынды ДИОДТАР: IMPATT диодтарының қағидалары мен қолданылуы

Кіріспе

IMPATT диоды (impact ionization avalanche transit time diode) – жоғары жиілікті микротолқынды электроника құрылғыларында қолданылатын жоғары қуатты жартылай өткізгіш диодтың бір түрі. Олардың теріс кедергісі бар және микротолқын жиіліктерінде осцилляторлар мен күшейткіштер ретінде қолданылады. Олар шамамен 3 және 100 ГГц немесе одан да жоғары жиіліктерде жұмыс істейді. Басты артықшылығы – жоғары қуаттылық; бір IMPATT диоды 3 киловатқа дейін үздіксіз микротолқынды қуатты және одан әлдеқайда жоғары қуатты импульсті қуатты өндіре алады. Бұл диодтар төмен қуатты радар жүйелерінен бастап, жақындық сигнализациясына дейін әртүрлі салаларда қолданылады. IMPATT диодтарының маңызды кемшілігі – олардың тудыратын фазалық шудың жоғары деңгейі. Бұл лавиналық процестің статистикалық табиғатынан туындайды.

Құрылғының құрылымы

IMPATT диодтар отбасына көптеген түрлі қосылыстар мен металл-жартылай өткізгіш құрылғылар кіреді. Алғашқы IMPATT тербелісі қарапайым кремнийлі p-n қосылысты диодтан алынған, ол кері лавиналық құлауға (пробойға) бейімделген және микротолқынды қуысқа орнатылған. Иондану коэффициентінің электр өрісіне күшті тәуелділігіне байланысты, электрон-тесік жұптарының көп бөлігі жоғары өріс аймағында пайда болады. Пайда болған электрондар N аймағына бірден қозғалады, ал пайда болған тесіктер P аймағы бойынша қозғалады. Тесіктің контактіге жетуіне қажетті уақыт – транзиттік уақыт кешігуі. IMPATT типіндегі микротолқынды құрылғыға алғашқы ұсынысты Рид жасаған. Рид диоды екі аймақтан тұрады: 1) лавиналық аймақ (ауысымның салыстырмалы түрде жоғары допингі және жоғары өрісі бар аймақ), онда лавиналық көбейту жүреді, және 2) дрейфтік аймақ (негізінен ішкі допингі және тұрақты өрісі бар аймақ), онда пайда болған тесіктер контактіге қарай дрейфтеледі. Осыған ұқсас құрылғы лавиналық көбейтуден пайда болған электрондар ішкі аймақ арқылы дрейфтелетін конфигурациямен құрастырылуы мүмкін. IMPATT диоды әдетте микротолқынды корпуска (пакетке) орнатылады. Диодты диод қосылысында пайда болатын жылуды оңай тарату үшін кремнийлі жылу шығарушының (радиатордың) жанында, төменгі өріс аймағымен орнату керек. Микротолқынды басқа құрылғыларды орналастыру үшін де ұқсас микротолқынды корпустар қолданылады. IMPATT диоды тар жиілік диапазонында жұмыс істейді, ал диодтың ішкі өлшемдері қажетті жұмыс жиілігімен сәйкес болуы тиіс. IMPATT осцилляторын қосылған тізбектің резонанстық жиілігін реттеу арқылы, сондай-ақ диодтағы токтың өзгеруі арқылы баптауға болады; мұны жиілікті модуляциялау үшін пайдалануға болады.

Жұмыс істеу принципі

Егер жеткілікті энергиясы бар еркін электрон кремний атомына соққы берсе, ол кремнийдің ковалентті байланысын бұза алады және ковалентті байланыстан электронды босатады. Егер босатылған электрон электр өрісінде болып, басқа электрондарды басқа ковалентті байланыстардан босатып, энергия алса, онда бұл процесс тізбектей реакцияға өте тез түсіп, көптеген электрондар мен үлкен ток ағынын тудырады. Бұл құбылысты лавиналық бұзылу деп атайды. Бұзылу кезінде n-аймақ тесіліп, диодтың лавиналық аймағын құрайды. Жоғары кедергілі аймақ – бұл лавинадан пайда болған электрондардың анодқа қарай қозғалатын дрейф аймағы. Диодқа бұзылуды тудыратын VB кернеуінен сәл кем мөлшердегі тұрақты кернеу қолданылсын. Ауыспалы ток кернеуінің оң жарты цикл кезінде диодты лавиналық бұзылуға терең бойлату үшін, тұрақты токқа жеткілікті амплитудалы ауыспалы ток кернеуін қосыңыз. t=0 уақытында ауыспалы ток кернеуі нөлге тең, және диод арқылы тек кішкентай алдын ала ток ағып өтеді. t өскен сайын кернеу бұзылу кернеуінен асып, соққы иондану арқылы екінші электрон-тесік жұптары пайда болады. Лавиналық аймақтағы өріс бұзылу өрісінен жоғары ұсталып тұрғанда, электрон-тесік концентрациясы t-мен экспоненциалды түрде өседі. Сол сияқты, бұл концентрация ауыспалы ток кернеуінің теріс жарты циклы кезінде өріс бұзылу кернеуінен төмен түскенде экспоненциалды түрде төмендейді. Лавиналық аймақта пайда болған тесіктер p+ аймағында жоғалып, катодқа жиналады. Электрондар i-аймағына енгізіліп, n+ аймағына қарай жүреді. Содан кейін лавиналық аймақтағы өріс ең жоғары мәніне жетеді және электрон-тесік жұптарының саны көбейе бастайды. Осы кезде иондану коэффициенттері ең жоғары мәніне ие болады. Электр өрісінің әсерінен пайда болған электрон концентрациясы бірден өспейді, себебі ол лавиналық аймақтағы бар электрон-тесік жұптарының санына да байланысты. Сондықтан, осы нүктедегі электрон концентрациясы шағын болады. Өріс ең жоғары мәнінен өткеннен кейін де электрон-тесік концентрациясы өсе береді, өйткені екіншілік тасымалдаушылардың пайда болу жылдамдығы орташа мәнінен жоғары болып қалады. Осы себепті, лавиналық аймақтағы электрон концентрациясы өріс орташа мәніне түскенде ең жоғары мәніне жетеді. Осылайша, лавиналық аймақ ауыспалы ток сигналы мен осы аймақтағы электрон концентрациясы арасында 90° фазалық ығысу тудыратыны анық. t-нің одан әрі өсуімен, ауыспалы ток кернеуі теріс болады, және лавиналық аймақтағы өріс өзінің шекті мәнінен төмендейді. Лавиналық аймақтағы электрондар кейін дрейф аймағына енгізіледі, ол сыртқы тізбекте ауыспалы ток кернеуіне қарама-қарсы фазалы ток тудырады. Ауыспалы ток өрісі, осылайша, дрейфтейтін электрондардың энергиясын сіңіреді, олар өрістің төмендеуіне байланысты баяулайды. Диодтық ток пен ауыспалы ток сигналы арасындағы идеалдық фазалық ығысу, егер дрейф аймағының қалыңдығы ауыспалы ток кернеуі нөлге жеткен кезде электрондардың тобы n+ анодқа жиналатындай болса, қол жеткізіледі. Бұл жағдай дрейф аймағының ұзындығын сигнал толқынының ұзындығына теңдеу арқылы жүзеге асырылады. Бұл жағдай ауыспалы ток кернеуі мен диод тогы арасындағы қосымша 90° фазалық ығысуды тудырады.

If a free electron with a sufficient energy strikes a silicon atom, it can break the covalent bond of silicon and liberate an electron from the covalent bond. If the electron liberated gains energy by being in an electric field and liberates other electrons from other covalent bonds then this process can cascade very quickly into a chain reaction, producing a large number of electrons and a large current flow. This phenomenon is called avalanche breakdown. At breakdown, the n– region is punched through and forms the avalanche region of the diode. The high resistivity region is the drift zone through which the avalanche generated electrons move toward the anode. Consider a dc bias VB, just short of that required to cause breakdown, applied to the diode. Let an AC voltage of sufficiently large magnitude be superimposed on the dc bias, such that during the positive cycle of the AC voltage, the diode is driven deep into the avalanche breakdown. At t=0, the AC voltage is zero, and only a small pre breakdown current flows through the diode. As t increases, the voltage goes above the breakdown voltage and secondary electron hole pairs are produced by impact ionization. As long as the field in the avalanche region is maintained above the breakdown field, the electron hole concentration grows exponentially with t. Similarly this concentration decays exponentially with time when the field is reduced below breakdown voltage during the negative swing of the AC voltage. The holes generated in the avalanche region disappear in the p+ region and are collected by the cathode. The electrons are injected into the i – zone where they drift toward the n+ region. Then, the field in the avalanche region reaches its maximum value and the population of the electron hole pairs starts building up. At this time, the ionization coefficients have their maximum values. The generated electron concentration does not follow the electric field instantaneously because it also depends on the number of electron hole pairs already present in the avalanche region. Hence, the electron concentration at this point will have a small value. Even after the field has passed its maximum value, the electron hole concentration continues to grow because the secondary carrier generation rate still remains above its average value. For this reason, the electron concentration in the avalanche region attains its maximum value when the field has dropped to its average value. Thus, it is clear that the avalanche region introduces a 90° phase shift between the AC signal and the electron concentration in this region. With a further increase in t, the AC voltage becomes negative, and the field in the avalanche region drops below its critical value. The electrons in the avalanche region are then injected into the drift zone which induces a current in the external circuit which has a phase opposite to that of the AC voltage. The AC field, therefore, absorbs energy from the drifting electrons as they are decelerated by the decreasing field. It is clear that an ideal phase shift between the diode current and the AC signal is achieved if the thickness of the drift zone is such that the bunch of electron is collected at the n+ – anode at the moment the AC voltage goes to zero. This condition is achieved by making the length of the drift region equal to the wavelength of the signal. This situation produces an additional phase shift of 90° between the AC voltage and the diode current.

Шығу тегі

1956 жылы W. T. Read және Белл телефондық лабораториясының Ралф Л. Джонстон транзит уақытында айтарлықтай кешігуді көрсететін лавиналық диодтың теріс кедергілік қасиеттерін көрсетуі мүмкін екенін ұсынды. Бұл эффект жақын арада қарапайым кремний диодтарында демонстрацияланды және 1960 жылдардың соңына қарай 340 ГГц жиілікті осцилляторлар жасалды. Кремний IMPATT диодтары үздіксіз түрде 3 киловаттқа дейін қуатты өндіре алады, ал импульстік режимде одан да жоғары қуаттылыққа қол жеткізуге болады.

ТРАПАТТ

Микротолқынды осциллятор құрылғысы, IMPATT диодына ұқсас құрылымға ие, TRAPATT диоды болып табылады, ол "ұсталған плазмалық лавиналық көшкінмен туындаған транзит" дегенді білдіреді. Бұл жұмыс режимі салыстырмалы түрде жоғары қуатты және тиімділікті қамтамасыз етеді, бірақ IMPATT режимінде жұмыс істейтін құрылғыға қарағанда төмен жиілікте жұмыс істейді.