雪崩渡越时间器件

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在雪崩过程中，电压和电流之间存在延迟，并且通过材料的渡越时间被称为负电阻。有助于使二极管表现出这种特性的器件称为**雪崩渡越时间器件**。

属于此类器件的例子包括IMPATT、TRAPATT和BARITT二极管。让我们详细了解一下每一个。

IMPATT二极管

这是一种高功率半导体二极管，用于高频微波应用。IMPATT的完整形式是**IMPact ionization Avalanche Transit Time diode（冲击电离雪崩渡越时间二极管）**。

当对IMPATT二极管施加电压梯度时，会导致高电流。普通的二极管最终会因此击穿。然而，IMPATT二极管被设计成能够承受所有这些。施加高电势梯度来反向偏置二极管，因此少数载流子流过结。

如果在高直流电压上叠加射频交流电压，则空穴和电子的速度增加，导致通过冲击电离从晶体结构中击出额外的空穴和电子。如果施加的原始直流场处于产生这种情况的阈值，则会导致雪崩电流倍增，并且此过程继续进行。可以通过下图理解这一点。

由于这种效应，电流脉冲发生90°相移。然而，它并没有停留在那里，而是由于施加的反向偏置而向阴极移动。脉冲到达阴极所需的时间取决于**n+**层的厚度，该厚度被调整为使其产生90°相移。现在，证明了动态射频负电阻的存在。因此，IMPATT二极管既充当振荡器又充当放大器。

下图显示了IMPATT二极管的结构细节。

IMPATT二极管的效率表示为

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

其中，

• $P_{ac}$ = 交流功率

• $P_{dc}$ = 直流功率

• $V_a \: \& \: I_a$ = 交流电压和电流

• $V_d \: \& \: I_d$ = 直流电压和电流

缺点

以下是IMPATT二极管的缺点。

• 它很嘈杂，因为雪崩是一个嘈杂的过程
• 调谐范围不如耿氏二极管好

应用

以下是IMPATT二极管的应用。

• 微波振荡器
• 微波发生器
• 调制输出振荡器
• 接收机本振
• 负电阻放大
• 入侵报警网络（高Q IMPATT）
• 警用雷达（高Q IMPATT）
• 低功率微波发射器（高Q IMPATT）
• 调频通信发射器（低Q IMPATT）
• 连续波多普勒雷达发射器（低Q IMPATT）

TRAPATT二极管

TRAPATT二极管的全称是**TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode（俘获等离子体雪崩触发渡越时间二极管）**。一种在数百MHz到GHz之间工作的微波发生器。这些是高峰值功率二极管，通常为**n+- p-p+**或**p+-n-n+**结构，具有n型耗尽区，宽度在2.5到1.25 µm之间变化。下图描述了这一点。

使捕获在低场区域（位于区域后面）的电子和空穴填充二极管中的耗尽区。这是通过一个高场雪崩区域完成的，该区域在二极管中传播。

下图显示了一个图形，其中AB表示充电，BC表示等离子体形成，DE表示等离子体提取，EF表示残余提取，FG表示充电。

让我们看看在每个点上发生了什么。

**A：**A点的电压不足以发生雪崩击穿。在A点，由于热产生导致的载流子导致二极管像线性电容一样充电。

**A-B：**在这一点上，电场的幅度增加。当产生足够数量的载流子时，电场在整个耗尽区内降低，导致电压从B降低到C。

**C：**此电荷有助于雪崩持续进行，并产生大量的电子和空穴等离子体。场进一步降低，以防止电子或空穴从耗尽层中逸出，并捕获剩余的等离子体。

**D：**电压在D点下降。清除等离子体需要很长时间，因为与外部电流中每单位时间的电荷相比，总等离子体电荷很大。

**E：**在E点，等离子体被移除。空穴和电子的残余电荷分别保留在偏转层的每一端。

**E到F：**随着残余电荷被移除，电压增加。

**F：**在F点，所有内部产生的电荷都被移除。

**F到G：**二极管像电容器一样充电。

**G：**在G点，二极管电流在半个周期内变为零。电压保持恒定，如上图所示。这种状态持续到电流恢复并循环重复。

雪崩区速度$V_s$表示为

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

其中

• **$J$** = 电流密度

• **$q$** = 电子电荷 1.6 x 10^-19

• $N_A$ = 掺杂浓度

雪崩区将快速扫过大部分二极管，载流子的渡越时间表示为

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

其中

• $V_s$ = 饱和载流子漂移速度

• $L$ = 样品的长度

这里计算的渡越时间是注入和收集之间的时间。重复的动作增加了输出，使其成为放大器，而与电路并联连接的微波低通滤波器可以使其作为振荡器工作。

应用

这种二极管有很多应用。

• 低功率多普勒雷达
• 雷达本地振荡器
• 微波信标着陆系统
• 无线电高度计
• 相控阵雷达等。

BARITT二极管

**BARITT二极管的全称是BARrier Injection Transit Time diode（势垒注入渡越时间二极管）**。这些是该系列中最新发明的器件。虽然这些二极管与IMPATT二极管一样具有长的漂移区，但BARITT二极管中的载流子注入是由正向偏置结引起的，而不是由雪崩区域的等离子体引起的。

在IMPATT二极管中，由于冲击电离，载流子注入非常嘈杂。在BARITT二极管中，为了避免噪声，载流子注入由耗尽区的击穿提供。BARITT二极管中的负电阻是由于注入的空穴漂移到由p型材料制成的二极管的集电极端而获得的。

下图显示了BARITT二极管的结构细节。

对于**m-n-m** BARITT二极管，**Ps-Si**肖特基势垒接触金属与中间的**n型Si晶片**。电流随施加电压（超过30v）的快速增加是由于热电子空穴注入到半导体中。

临界电压$(Vc)$取决于掺杂常数$(N)$、半导体长度$(L)$和半导体介电常数$(\epsilon S)$，表示为

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

单片微波集成电路（MMIC）

微波IC是传统波导或同轴电路的最佳替代方案，因为它们重量轻、尺寸小、可靠性高且可重复性好。用于单片微波集成电路的基本材料有：

• 衬底材料
• 导体材料
• 电介质薄膜
• 电阻薄膜

这些材料的选择是为了具有理想的特性和高效率。电路元件制造在其上的衬底非常重要，因为材料的介电常数应该高，耗散因子低，以及其他理想特性。使用的衬底材料包括GaAs、铁氧体/石榴石、铝、铍、玻璃和金红石。

导体材料的选择是为了具有高电导率、低电阻温度系数、良好的衬底附着性和蚀刻性等。铝、铜、金和银主要用作导体材料。电介质材料和电阻材料的选择是为了具有低损耗和良好的稳定性。

制造技术

在混合集成电路中，半导体器件和无源电路元件形成在电介质衬底上。无源电路是分布式元件或集总元件，或者两者的组合。

混合集成电路有两种类型。

• 混合IC
• 微型混合IC

在上述两种工艺中，混合IC使用分布式电路元件，这些元件使用单层金属化技术在IC上制造，而微型混合IC使用多层元件。

大多数模拟电路使用介观隔离技术来隔离用于FET和二极管的活性n型区域。平面电路是通过将离子注入到半绝缘衬底中来制造的，为了提供隔离，这些区域被掩蔽。

“**过孔**”技术用于将源极与连接到地面的源极电极连接，在GaAs FET中，如下图所示。

MMIC有很多应用。

• 军事通信
• 雷达
• 电子对抗（ECM）
• 相控阵天线系统
• 扩频和TDMA系统

它们具有成本效益，也应用于许多家用消费领域，例如DTH、电信和仪器仪表等。