雪崩渡越时间器件

在雪崩中，电压和电流之间以及渡越时间通过材料时产生的延迟被称为负电阻。有助于使二极管表现出此特性的器件称为雪崩渡越时间器件。

属于此类别的器件示例有 IMPATT、TRAPATT 和 BARITT 二极管。让我们详细了解一下它们。

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 的全称是IMPact 电离雪崩渡越时间二极管。

当电压梯度施加到 IMPATT 二极管时，会产生高电流。普通二极管最终会因此击穿。然而，IMPATT 二极管就是为承受这一切而开发的。施加高电位梯度来反向偏置二极管，因此少数载流子流过结。

如果将 RF AC 电压叠加在高 DC 电压上，空穴和电子的速度增加会导致更多的空穴和电子，这是通过碰撞电离将它们从晶体结构中震荡出来而产生的。如果施加的原始 DC 场处于产生这种情况的阈值，则会导致雪崩电流倍增，并且该过程会继续。这可以通过下图来理解。

由于这种影响，电流脉冲的相移为 90°。但是，由于施加了反向偏置，它不是在那里，而是向阴极移动。脉冲到达阴极所需的时间取决于 n+ 层的厚度，该层的厚度经过调整以使其为 90°相移。现在证明了动态射频负阻的存在。因此，IMPATT 二极管既可用作振荡器，又可用作放大器。

下图显示了 IMPATT 二极管的结构细节。

IMPATT 二极管的效率表示为

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

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

IMPATT 二极管的缺点如下。

• 它很嘈杂，因为雪崩是一个嘈杂的过程
• 调谐范围不如 Gunn 二极管好

应用

IMPATT 二极管的应用如下。

• 微波振荡器
• 微波发生器
• 调制输出振荡器
• 接收器本振
• 负阻放大
• 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)
• FM 电信发射器(低 Q IMPATT)
• CW 多普勒雷达发射器(低 Q IMPATT)

TRAPATT 二极管

TRAPATT 二极管的全称是 TRApped 等离子雪崩触发传输二极管。一种工作频率在数百 MHz 至 GHz 之间的微波发生器。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，宽度从 2.5 到 1.25 µm 不等。下图描述了这种情况。

区域后面低场区中捕获的电子和空穴用于填充二极管中的耗尽区。这是通过传播通过二极管的高场雪崩区来实现的。

下图显示了一个图表，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。

让我们看看每个点会发生什么。

A：点 A 处的电压不足以发生雪崩击穿。在 A 处，由于热产生而产生的电荷载流子导致二极管像线性电容一样充电。

A-B：此时，电场强度增加。当产生足够数量的载流子时，整个耗尽区内的电场被抑制，导致电压从 B 降至 C。

C: 该电荷有助于雪崩继续，并产生密集的电子和空穴等离子体。电场进一步被抑制，以免电子或空穴离开耗尽层，并捕获剩余的等离子体。

D: 电压在 D 点降低。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，等离子体总电荷很大。

E: 在 E 点，等离子体被移除。空穴和电子的残留电荷分别留在偏转层的一端。

E 到 F：随着残留电荷的去除，电压增加。

F：在点 F，内部产生的所有电荷均被去除。

F 到 G：二极管像电容器一样充电。

G：在点 G，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，然后重复该循环。

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

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

其中

• $V_s$ = 饱和载体漂移速度

• $L$ = 样本长度

此处计算的传输时间是从注射到收集之间的时间。重复动作会增加输出，使其成为放大器，而与电路并联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 注入传输时间二极管。这是该系列的最新发明。尽管这些二极管像 IMPATT 二极管一样具有较长的漂移区，但 BARITT 二极管中的载流子注入是由正向偏置结引起的，而不是像它们一样来自雪崩区的等离子体。

在 IMPATT 二极管中，由于碰撞电离，载流子注入非常嘈杂。在 BARITT 二极管中，为了避免噪声，载流子注入是通过耗尽区的穿通来实现的。 BARITT 二极管中的负电阻是由于注入的空穴向由 p 型材料制成的二极管集电极端漂移而获得的。

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，其间有 n 型 Si 晶片。施加电压(高于 30v)后电流快速增加，这是由于热电子空穴注入半导体所致。

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)

微波集成电路是传统波导或同轴电路的最佳替代品，因为它们重量轻、体积小、可靠性高且可重复性好。单片微波集成电路使用的基本材料是 −

• 基板材料
• 导体材料
• 介电膜
• 电阻膜

选择这些材料是为了具有理想的特性和高效率。制造电路元件的基板很重要，因为材料的介电常数应高，耗散因数应低，并具有其他理想特性。使用的基板材料是 GaAs、铁氧体/石榴石、铝、铍、玻璃和金红石。

选择导体材料是为了具有高导电性、低电阻温度系数、与基板的良好粘附性和蚀刻性等。铝、铜、金和银主要用作导体材料。所选的介电材料和电阻材料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介电基板上。无源电路是分布式或集总式元件，或两者的组合。

混合集成电路有两种类型。

• 混合集成电路
• 微型混合集成电路

在上述两种工艺中，混合集成电路使用分布式电路元件，这些元件采用单层金属化技术在集成电路上制造，而微型混合集成电路则使用多层元件。

大多数模拟电路使用中间隔离技术来隔离用于场效应晶体管和二极管的有源 n 型区域。平面电路是通过将离子植入半绝缘基板而制成的，为了提供隔离，这些区域被遮蔽起来。

"通孔"技术用于将源极与接地的源电极连接起来，在 GaAs FET 中，如下图所示。

MMIC 有许多应用。

• 军事通信
• 雷达
• ECM
• 相控阵天线系统
• 扩频和 TDMA 系统

它们具有成本效益，也用于许多家庭消费应用，如 DTH、电信和仪器仪表等。