
雪崩渡越时间器件
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。