Импульсные диоды обратного восстановления: принципы работы и применение.

Введение

Диод IMPATT (impact ionization avalanche transit time diode) – это тип полупроводникового диода большой мощности, применяемый в высокочастотных микроволновых электронных устройствах. Они обладают отрицательным сопротивлением и используются в качестве генераторов и усилителей на микроволновых частотах. Диапазон рабочих частот составляет примерно от 3 до 100 ГГц и выше. Главное преимущество – их высокая выходная мощность; отдельные диоды IMPATT способны выдавать непрерывную микроволновую мощность до 3 киловатт и импульсную мощность значительно большей величины. Эти диоды находят применение в различных областях, от маломощных радиолокационных систем до датчиков приближения. Существенным недостатком диодов IMPATT является высокий уровень фазового шума, обусловленный статистической природой лавинного процесса.

Структура устройства

Семейство диодов IMPATT включает в себя множество различных переходов и металл-полупроводниковых устройств. Первое колебание IMPATT было получено из простого кремниевого p–n-диода, смещенного в режим обратного лавинного пробоя, и установленного в микроволновой резонаторе. Из-за сильной зависимости коэффициента ионизации от напряженности электрического поля, большинство электронно-дырочных пар генерируются в области высокого поля. Сгенерированные электроны немедленно перемещаются в n-область, в то время как сгенерированные дырки дрейфуют через p-область. Время, необходимое дырке для достижения контакта, составляет время пролета. Первоначальное предложение по созданию микроволнового устройства типа IMPATT было сделано Ридом. Диод Рида состоит из двух областей: (1) лавинной области (область с относительно высокой концентрацией примеси и высокой напряженностью поля), в которой происходит лавинное умножение, и (2) дрейфовой области (область с практически собственной концентрацией примеси и постоянной напряженностью поля), в которой сгенерированные дырки дрейфуют к контакту. Аналогичное устройство можно создать с конфигурацией, в которой электроны, генерируемые в результате лавинного умножения, дрейфуют через область с собственной проводимостью. Диод IMPATT обычно монтируется в микроволновом корпусе. Диод монтируется так, чтобы его область с низким полем находилась вблизи кремниевого радиатора, чтобы тепло, выделяемое в p–n-переходе диода, могло легко рассеиваться. Аналогичные микроволновые корпуса используются для размещения других микроволновых устройств. Диод IMPATT работает в узкой полосе частот, и внутренние размеры диода должны соответствовать желаемой рабочей частоте. Осциллятор IMPATT можно настроить, регулируя резонансную частоту колебательного контура, а также изменяя ток через диод; это можно использовать для частотной модуляции.

Принцип действия

Если свободный электрон с достаточной энергией сталкивается с атомом кремния, он может разорвать ковалентную связь кремния и высвободить электрон из этой связи. Если высвобожденный электрон получает энергию в электрическом поле и высвобождает другие электроны из других ковалентных связей, этот процесс может очень быстро перерасти в цепную реакцию, производя большое количество электронов и значительный ток. Это явление называется лавинным пробоем. При пробое n-область пробивается и формируется лавинная область диода. Область высокого сопротивления – это дрейфовая зона, через которую электроны, генерируемые лавиной, перемещаются к аноду. Рассмотрим постоянное смещение VB, немного меньшее, чем необходимое для вызова пробоя, приложенное к диоду. Пусть на постоянное смещение будет наложено переменное напряжение достаточной амплитуды, так что во время положительного полупериода переменного напряжения диод будет глубоко входить в режим лавинного пробоя. В момент t=0 переменное напряжение равно нулю, и через диод протекает лишь небольшой предварительный ток. С увеличением t напряжение превышает напряжение пробоя, и вторичные электронно-дырочные пары образуются в результате ударной ионизации. До тех пор, пока поле в лавинной области поддерживается выше поля пробоя, концентрация электронно-дырочных пар экспоненциально растет со временем t. Аналогично, эта концентрация экспоненциально уменьшается, когда поле падает ниже напряжения пробоя во время отрицательного полупериода переменного напряжения. Дыры, образовавшиеся в лавинной области, исчезают в p+-области и собираются катодом. Электроны инжектируются в i-зону, где они дрейфуют к n+-области. Затем поле в лавинной области достигает своего максимального значения, и популяция электронно-дырочных пар начинает увеличиваться. В этот момент коэффициенты ионизации достигают своих максимальных значений. Сгенерированная концентрация электронов не следует за электрическим полем мгновенно, поскольку она также зависит от количества электронно-дырочных пар, уже присутствующих в лавинной области. Следовательно, концентрация электронов в этой точке будет иметь небольшое значение. Даже после того, как поле пройдет свою максимальную точку, концентрация электронно-дырочных пар продолжает расти, поскольку скорость генерации вторичных носителей все еще остается выше среднего значения. По этой причине концентрация электронов в лавинной области достигает своего максимального значения, когда поле опускается до своего среднего значения. Таким образом, очевидно, что лавинная область вносит сдвиг фазы на 90° между сигналом переменного тока и концентрацией электронов в этой области. При дальнейшем увеличении t переменное напряжение становится отрицательным, и поле в лавинной области падает ниже своего критического значения. Электроны в лавинной области затем инжектируются в дрейфовую зону, что индуцирует ток во внешней цепи, фаза которого противоположна фазе переменного напряжения. Следовательно, переменное поле поглощает энергию от дрейфующих электронов, поскольку они замедляются уменьшающимся полем. Очевидно, что идеальный сдвиг фазы между диодным током и сигналом переменного тока достигается, если толщина дрейфовой зоны такова, что группа электронов собирается на аноде n+ в момент, когда переменное напряжение достигает нуля. Это условие достигается путем приравнивания длины дрейфовой области к длине волны сигнала. Эта ситуация приводит к дополнительному сдвигу фазы на 90° между переменным напряжением и диодным током.

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.

Происхождение

В 1956 году У. Т. Рид и Ральф Л. Джонстон из Bell Telephone Laboratories предположили, что лавинный диод со значительной задержкой времени прохождения носителей заряда может проявлять отрицательное сопротивление. Вскоре этот эффект был продемонстрирован на обычных кремниевых диодах, а к концу 1960-х годов были созданы генераторы частотой 340 ГГц. Кремниевые диоды IMPATT способны непрерывно генерировать мощность до 3 киловатт, а в импульсном режиме – и больше.

ТРАПАТТ

Микроволновое генераторное устройство, имеющее структуру, аналогичную диоду IMPATT, – это диод TRAPATT, аббревиатура от "triggered avalanche transit-time" (вызванная лавиной транзитная проводимость). Этот режим работы обеспечивает относительно высокую мощность и эффективность, но на более низкой частоте, чем устройство, работающее в режиме IMPATT.