Dispositivos de tempo de trânsito de avalanche

O processo de haver um atraso entre a tensão e a corrente, em avalanche junto com o tempo de trânsito, através do material é chamado de resistência Negativa. Os dispositivos que ajudam a fazer um diodo exibir essa propriedade são chamados deAvalanche transit time devices.

Os exemplos de dispositivos que se enquadram nesta categoria são os diodos IMPATT, TRAPATT e BARITT. Vamos dar uma olhada em cada um deles, em detalhes.

Diodo IMPATT

Este é um diodo semicondutor de alta potência, usado em aplicações de microondas de alta frequência. O IMPATT completo éIMPact ionization Avalanche Transit Time diode.

Um gradiente de tensão, quando aplicado ao diodo IMPATT, resulta em uma alta corrente. Um diodo normal acabará por quebrar por isso. No entanto, o diodo IMPATT foi desenvolvido para suportar tudo isso. Um gradiente de alto potencial é aplicado para polarizar o diodo e, portanto, os portadores minoritários fluem através da junção.

A aplicação de uma tensão RF AC se sobreposta a uma alta tensão DC, o aumento da velocidade de buracos e elétrons resulta em buracos e elétrons adicionais, batendo-os para fora da estrutura cristalina por ionização de impacto. Se o campo DC original aplicado estava no limiar de desenvolver essa situação, ele leva à multiplicação da corrente de avalanche e esse processo continua. Isso pode ser entendido pela figura a seguir.

Devido a este efeito, o pulso de corrente muda de fase de 90 °. No entanto, em vez de estar lá, ele se move em direção ao cátodo devido à polarização reversa aplicada. O tempo que leva para o pulso atingir o cátodo depende da espessura don+camada, que é ajustada para fazer um deslocamento de fase de 90 °. Agora, está provado que existe uma resistência negativa RF dinâmica. Portanto, o diodo IMPATT atua tanto como um oscilador quanto como um amplificador.

A figura a seguir mostra os detalhes de construção de um diodo IMPATT.

A eficiência do diodo IMPATT é representada como

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

Onde,

  • $ P_ {ac} $ = energia CA

  • $ P_ {dc} $ = potência DC

  • $ V_a \: \ & \: I_a $ = tensão e corrente AC

  • $ V_d \: \ & \: I_d $ = tensão e corrente DC

Desvantagens

A seguir estão as desvantagens do diodo IMPATT.

  • É barulhento porque a avalanche é um processo barulhento
  • A faixa de sintonia não é tão boa quanto nos diodos Gunn

Formulários

A seguir estão as aplicações do diodo IMPATT.

  • Oscilador de microondas
  • Geradores de microondas
  • Oscilador de saída modulada
  • Oscilador local do receptor
  • Amplificações de resistência negativa
  • Redes de alarme de intrusão (alto Q IMPATT)
  • Radar da polícia (Q alto IMPATT)
  • Transmissor de microondas de baixa potência (alto Q IMPATT)
  • Transmissor de telecomunicações FM (baixo Q IMPATT)
  • Transmissor radar Doppler CW (baixo Q IMPATT)

Diodo TRAPATT

A forma completa do diodo TRAPATT é TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode. Um gerador de microondas que opera entre centenas de MHz a GHz. Estes são diodos de alta potência de pico geralmenten+- p-p+ ou p+-n-n+estruturas com região de depleção do tipo n, largura variando de 2,5 a 1,25 µm. A figura a seguir mostra isso.

Os elétrons e buracos presos na região de baixo campo atrás da zona, são feitos para preencher a região de depleção no diodo. Isso é feito por uma região de avalanche de alto campo que se propaga através do diodo.

A figura a seguir mostra um gráfico no qual AB mostra a carga, BC mostra a formação do plasma, DE mostra a extração do plasma, EF mostra a extração residual e FG mostra a carga.

Vamos ver o que acontece em cada um dos pontos.

A:A tensão no ponto A não é suficiente para que ocorra a quebra da avalanche. Em A, os portadores de carga devido à geração térmica resultam no carregamento do diodo como uma capacitância linear.

A-B:Nesse ponto, a magnitude do campo elétrico aumenta. Quando um número suficiente de portadores é gerado, o campo elétrico é reduzido em toda a região de depleção, fazendo com que a voltagem diminua de B para C.

C:Essa carga ajuda a avalanche a continuar e um plasma denso de elétrons e buracos é criado. O campo é ainda mais deprimido para não deixar os elétrons ou buracos saírem da camada de depleção e aprisiona o plasma restante.

D: A voltagem diminui no ponto D. Um longo tempo é necessário para limpar o plasma, pois a carga total do plasma é grande em comparação com a carga por unidade de tempo na corrente externa.

E:No ponto E, o plasma é removido. Cargas residuais de buracos e elétrons permanecem cada uma em uma extremidade da camada de deflexão.

E to F: A tensão aumenta à medida que a carga residual é removida.

F: No ponto F, toda a carga gerada internamente é removida.

F to G: O diodo carrega como um capacitor.

G:No ponto G, a corrente do diodo chega a zero por meio período. A tensão permanece constante, conforme mostrado no gráfico acima. Este estado continua até que a corrente volte e o ciclo se repita.

A velocidade da zona de avalanche $ V_s $ é representada como

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

Onde

  • $J$ = Densidade atual

  • $q$= Carga de elétron 1,6 x 10 -19

  • $ N_A $ = concentração de doping

A zona de avalanche irá rapidamente varrer a maior parte do diodo e o tempo de trânsito dos portadores é representado como

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

Onde

  • $ V_s $ = Velocidade de deriva da portadora saturada

  • $ L $ = Comprimento do espécime

O tempo de trânsito calculado aqui é o tempo entre a injeção e a coleta. A ação repetida aumenta a saída para torná-lo um amplificador, enquanto um filtro passa-baixo de micro-ondas conectado em derivação com o circuito pode fazê-lo funcionar como um oscilador.

Formulários

Existem muitas aplicações desse diodo.

  • Radares Doppler de baixa potência
  • Oscilador local para radares
  • Sistema de pouso de farol de microondas
  • Rádio altímetro
  • Radar de matriz de fases, etc.

Diodo BARITT

A forma completa de BARITT Diode is BARrier Injection Transit Time diode. Estas são as últimas invenções desta família. Embora esses diodos tenham regiões de deriva longas como os diodos IMPATT, a injeção de portadores nos diodos BARITT é causada por junções polarizadas para frente, mas não do plasma de uma região de avalanche como nelas.

Nos diodos IMPATT, a injeção do portador é bastante ruidosa devido à ionização por impacto. Nos diodos BARITT, para evitar o ruído, a injeção do portador é fornecida por punção na região de depleção. A resistência negativa em um diodo BARITT é obtida por conta do deslocamento dos orifícios injetados para a extremidade do coletor do diodo, feito de material tipo p.

A figura a seguir mostra os detalhes de construção de um diodo BARITT.

Para m-n-m Diodo BARITT, Ps-Si A barreira Schottky contata metais com n-type Si waferentre. Um rápido aumento na corrente com a voltagem aplicada (acima de 30 V) é devido à injeção do orifício termiônico no semicondutor.

A tensão crítica $ (Vc) $ depende da constante de dopagem $ (N) $, comprimento do semicondutor $ (L) $ e a permissividade dielétrica do semicondutor $ (\ epsilon S) $ representada como

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

Circuito integrado de micro-ondas monolítico (MMIC)

Os CIs de micro-ondas são a melhor alternativa ao guia de ondas convencional ou aos circuitos coaxiais, pois são de baixo peso, tamanho pequeno, alta confiabilidade e reprodutibilidade. Os materiais básicos usados ​​para circuitos integrados de micro-ondas monolíticos são -

  • Material de substrato
  • Material condutor
  • Filmes dielétricos
  • Filmes resistivos

Eles são escolhidos para ter características ideais e alta eficiência. O substrato no qual os elementos do circuito são fabricados é importante, pois a constante dielétrica do material deve ser alta com baixo fator de dissipação, juntamente com outras características ideais. Os materiais de substrato usados ​​são GaAs, ferrite / granada, alumínio, berílio, vidro e rutilo.

O material condutor é escolhido para ter alta condutividade, baixo coeficiente de resistência à temperatura, boa adesão ao substrato e gravação, etc. Alumínio, cobre, ouro e prata são usados ​​principalmente como materiais condutores. Os materiais dielétricos e resistivos são escolhidos para ter baixa perda e boa estabilidade.

Tecnologia de Fabricação

Em circuitos integrados híbridos, os dispositivos semicondutores e elementos de circuito passivos são formados em um substrato dielétrico. Os circuitos passivos são elementos distribuídos ou agrupados, ou uma combinação de ambos.

Os circuitos integrados híbridos são de dois tipos.

  • IC híbrido
  • CI Híbrido Miniatura

Em ambos os processos acima, o IC híbrido usa os elementos de circuito distribuídos que são fabricados no IC usando uma técnica de metalização de camada única, enquanto o IC híbrido em miniatura usa elementos de vários níveis.

A maioria dos circuitos analógicos usa tecnologia de mesoisolamento para isolar áreas ativas do tipo n usadas para FETs e diodos. Os circuitos planos são fabricados por meio da implantação de íons em substrato semi-isolante e, para fornecer isolamento, as áreas são mascaradas.

"Via hole"A tecnologia é utilizada para conectar a fonte com os eletrodos fonte conectados ao solo, em um FET de GaAs, que é mostrado na figura a seguir.

Existem muitas aplicações de MMICs.

  • Comunicação militar
  • Radar
  • ECM
  • Sistemas de antena de matriz de fase
  • Espalhamento de espectro e sistemas TDMA

Eles são econômicos e também usados ​​em muitas aplicações de consumo doméstico, como DTH, telecomunicações e instrumentação, etc.