Dispositifs de temps de transit d'avalanche

On dit que le processus d'avoir un retard entre la tension et le courant, en avalanche avec le temps de transit, à travers le matériau, est une résistance négative. Les dispositifs qui aident à faire une diode présentent cette propriété sont appelés commeAvalanche transit time devices.

Les exemples d'appareils qui entrent dans cette catégorie sont les diodes IMPATT, TRAPATT et BARITT. Jetons un coup d'œil à chacun d'eux, en détail.

Diode IMPATT

Il s'agit d'une diode semi-conductrice haute puissance, utilisée dans les applications hyperfréquences haute fréquence. Le formulaire complet IMPATT estIMPact ionization Avalanche Transit Time diode.

Un gradient de tension lorsqu'il est appliqué à la diode IMPATT, se traduit par un courant élevé. Une diode normale finira par se décomposer par cela. Cependant, la diode IMPATT est développée pour résister à tout cela. Un gradient de potentiel élevé est appliqué pour polariser en retour la diode et donc des porteurs minoritaires circulent à travers la jonction.

L'application d'une tension alternative RF si elle est superposée à une tension continue élevée, la vitesse accrue des trous et des électrons entraîne des trous et des électrons supplémentaires en les expulsant de la structure cristalline par ionisation par impact. Si le champ DC d'origine appliqué était au seuil de développement de cette situation, alors il conduit à la multiplication du courant d'avalanche et ce processus se poursuit. Cela peut être compris par la figure suivante.

En raison de cet effet, l'impulsion de courant prend un déphasage de 90 °. Cependant, au lieu d'être là, il se déplace vers la cathode en raison de la polarisation inverse appliquée. Le temps nécessaire à l'impulsion pour atteindre la cathode dépend de l'épaisseur den+couche, qui est ajustée pour faire un déphasage de 90 °. Maintenant, une résistance négative RF dynamique est prouvée. Par conséquent, la diode IMPATT agit à la fois comme un oscillateur et un amplificateur.

La figure suivante montre les détails de construction d'une diode IMPATT.

L'efficacité de la diode IMPATT est représentée par

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

Où,

  • $ P_ {ac} $ = alimentation CA

  • $ P_ {dc} $ = alimentation CC

  • $ V_a \: \ & \: I_a $ = tension et courant alternatifs

  • $ V_d \: \ & \: I_d $ = tension et courant CC

Désavantages

Voici les inconvénients de la diode IMPATT.

  • C'est bruyant car l'avalanche est un processus bruyant
  • La plage de réglage n'est pas aussi bonne que dans les diodes Gunn

Applications

Voici les applications de la diode IMPATT.

  • Oscillateur micro-ondes
  • Générateurs micro-ondes
  • Oscillateur de sortie modulé
  • Oscillateur local du récepteur
  • Amplifications de résistance négative
  • Réseaux d'alarme intrusion (Q IMPATT élevé)
  • Radar de police (Q IMPATT élevé)
  • Émetteur micro-ondes de faible puissance (Q IMPATT élevé)
  • Émetteur de télécommunication FM (faible Q IMPATT)
  • Émetteur radar Doppler CW (faible Q IMPATT)

Diode TRAPATT

La forme complète de la diode TRAPATT est TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode. Un générateur de micro-ondes qui fonctionne entre des centaines de MHz et GHz. Ce sont généralement des diodes de puissance de crête élevéen+- p-p+ ou p+-n-n+structures avec région d'appauvrissement de type n, largeur variant de 2,5 à 1,25 µm. La figure suivante illustre cela.

Les électrons et les trous piégés dans la région de champ bas derrière la zone, sont faits pour remplir la région d'appauvrissement dans la diode. Ceci est fait par une région d'avalanche à champ élevé qui se propage à travers la diode.

La figure suivante montre un graphique dans lequel AB montre la charge, BC montre la formation de plasma, DE montre l'extraction au plasma, EF montre l'extraction résiduelle et FG montre la charge.

Voyons ce qui se passe à chacun des points.

A:La tension au point A n'est pas suffisante pour que la panne d'avalanche se produise. En A, les porteurs de charge dus à la génération thermique entraînent la charge de la diode comme une capacité linéaire.

A-B:À ce stade, la magnitude du champ électrique augmente. Lorsqu'un nombre suffisant de porteurs est généré, le champ électrique est abaissé dans toute la région d'appauvrissement, provoquant une diminution de la tension de B à C.

C:Cette charge aide l'avalanche à se poursuivre et un plasma dense d'électrons et de trous est créé. Le champ est en outre abaissé afin de ne pas laisser les électrons ou les trous hors de la couche d'appauvrissement, et piège le plasma restant.

D: La tension diminue au point D. Un temps long est nécessaire pour effacer le plasma car la charge totale du plasma est importante par rapport à la charge par unité de temps dans le courant externe.

E:Au point E, le plasma est éliminé. Des charges résiduelles de trous et d'électrons restent chacune à une extrémité de la couche de déflexion.

E to F: La tension augmente à mesure que la charge résiduelle est éliminée.

F: Au point F, toute la charge générée en interne est supprimée.

F to G: La diode se charge comme un condensateur.

G:Au point G, le courant de la diode est nul pendant une demi-période. La tension reste constante comme indiqué dans le graphique ci-dessus. Cet état continue jusqu'à ce que le courant revienne et que le cycle se répète.

La vitesse de la zone d'avalanche $ V_s $ est représentée par

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

  • $J$ = Densité de courant

  • $q$= Charge d'électrons 1,6 x 10-19

  • $ N_A $ = concentration de dopage

La zone d'avalanche balayera rapidement la majeure partie de la diode et le temps de transit des porteurs est représenté par

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

  • $ V_s $ = vitesse de dérive saturée de la porteuse

  • $ L $ = Longueur du spécimen

Le temps de transit calculé ici est le temps entre l'injection et la collecte. L'action répétée augmente la sortie pour en faire un amplificateur, alors qu'un filtre passe-bas micro-ondes connecté en shunt avec le circuit peut le faire fonctionner comme un oscillateur.

Applications

Il existe de nombreuses applications de cette diode.

  • Radars Doppler basse puissance
  • Oscillateur local pour radars
  • Système d'atterrissage de balise à micro-ondes
  • Radioaltimètre
  • Radar à réseau de phase, etc.

Diode BARITT

La forme complète de BARITT Diode is BARrier Injection Transit Time diode. Ce sont la dernière invention de cette famille. Bien que ces diodes aient de longues régions de dérive comme les diodes IMPATT, l'injection de porteurs dans les diodes BARITT est provoquée par des jonctions polarisées en direct, mais pas à partir du plasma d'une région d'avalanche comme dans celles-ci.

Dans les diodes IMPATT, l'injection de porteurs est assez bruyante en raison de l'ionisation par impact. Dans les diodes BARITT, pour éviter le bruit, l'injection de porteurs est fournie par poinçonnage de la région d'appauvrissement. La résistance négative dans une diode BARITT est obtenue du fait de la dérive des trous injectés vers l'extrémité collecteur de la diode, en matériau de type p.

La figure suivante montre les détails de construction d'une diode BARITT.

Pour un m-n-m Diode BARITT, Ps-Si La barrière Schottky entre en contact avec les métaux n-type Si waferentre. Une augmentation rapide du courant avec la tension appliquée (supérieure à 30 V) est due à l'injection de trous thermo-ioniques dans le semi-conducteur.

La tension critique $ (Vc) $ dépend de la constante de dopage $ (N) $, de la longueur du semi-conducteur $ (L) $ et de la permittivité diélectrique du semi-conducteur $ (\ epsilon S) $ représentée par

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

Circuit intégré hyperfréquence monolithique (MMIC)

Les circuits intégrés hyperfréquences sont la meilleure alternative aux guides d'ondes conventionnels ou aux circuits coaxiaux, car ils sont de faible poids, de petite taille, hautement fiables et reproductibles. Les matériaux de base utilisés pour les circuits intégrés hyperfréquences monolithiques sont:

  • Matériau du substrat
  • Matériau du conducteur
  • Films diélectriques
  • Films résistifs

Ceux-ci sont ainsi choisis pour avoir des caractéristiques idéales et un rendement élevé. Le substrat sur lequel les éléments de circuit sont fabriqués est important car la constante diélectrique du matériau doit être élevée avec un faible facteur de dissipation, ainsi que d'autres caractéristiques idéales. Les matériaux de substrat utilisés sont GaAs, ferrite / grenat, aluminium, béryllium, verre et rutile.

Le matériau conducteur est ainsi choisi pour avoir une conductivité élevée, un coefficient de résistance à basse température, une bonne adhérence au substrat et à la gravure, etc. L'aluminium, le cuivre, l'or et l'argent sont principalement utilisés comme matériaux conducteurs. Les matériaux diélectriques et les matériaux résistifs sont ainsi choisis pour avoir une faible perte et une bonne stabilité.

Technologie de fabrication

Dans les circuits intégrés hybrides, les dispositifs semi-conducteurs et les éléments de circuit passifs sont formés sur un substrat diélectrique. Les circuits passifs sont des éléments distribués ou localisés, ou une combinaison des deux.

Les circuits intégrés hybrides sont de deux types.

  • IC hybride
  • Circuit intégré hybride miniature

Dans les deux processus ci-dessus, le circuit intégré hybride utilise les éléments de circuit distribués qui sont fabriqués sur le circuit intégré en utilisant une technique de métallisation monocouche, tandis que le circuit intégré hybride miniature utilise des éléments à plusieurs niveaux.

La plupart des circuits analogiques utilisent la technologie de méso-isolation pour isoler les zones actives de type n utilisées pour les FET et les diodes. Les circuits plans sont fabriqués en implantant des ions dans un substrat semi-isolant, et pour assurer l'isolation, les zones sont masquées.

"Via hole«La technologie est utilisée pour connecter la source avec des électrodes de source connectées à la terre, dans un GaAs FET, comme illustré dans la figure suivante.

Il existe de nombreuses applications des MMIC.

  • Communication militaire
  • Radar
  • ECM
  • Systèmes d'antennes à réseau de phase
  • Spread Spectrum et systèmes TDMA

Ils sont rentables et également utilisés dans de nombreuses applications grand public domestiques telles que le DTH, les télécommunications et l'instrumentation, etc.