IMPATT dióda

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie

IMPATT dióda (z angl: IMPact ionization Avalanche Trensit-Time), slovensky nárazová lavínová preletová dióda je vysoko-výkonová dióda používaná vo vysokofrekvenčnej elektronike a mikrovlnných zariadeniach. Väčšinou je vyrobená z karbidu kremíka, čo zodpovedá ich vysokému prieraznému napätiu.

Ich prevádzková frekvencia je v rozsahu od 3 do 100 GHz ale aj vyššie. Hlavná výhoda je ich schopnosť pracovať s vysokým výkonom. Tieto diódy sa využívajú v rôznych aplikáciách od nízko-výkonových radarových systémov po alarmové systémy. Hlavnou nevýhodou je ich vysoká hodnota generovaného fázového šumu. To je výsledkom štatistickej povahy lavínového procesu. Napriek tomu tieto diódy tvoria vynikajúce mikrovlnné generátory pre viaceré aplikácie.

Štruktúra zariadenia[upraviť | upraviť zdroj]

Medzi IMPATT diódy patria rôzne priechody a kovové polovodičové zariadenia. Prvá IMPATT oscilácia bola získaná z jednoduchého kremíkového prechodu P-N diódy po pripojení relatívne vysokého záverného napätia. Z dôvodu silnej závislosti ionizačného koeficientu na elektrickom poli, väčšina párov elektrón-diera je generovaných v oblasti s vysokým poľom. Generovaný elektrón ihneď prechádza do oblasti N, zatiaľ čo generované diery prechádzajú oblasťou P. Čas, za ktorý sa diera dostane na kontakt zodpovedá časovému oneskoreniu preletu. Pôvodný návrh mikrovlnného zariadenia typu IMPATT pochádzal od Reada a obsahoval štruktúru diódy. Readova dióda sa skladala z dvoch oblastí: (1) Lavínová oblasť (oblasť s pomerne vysokým dotovaním a poľom), v ktorej sa vyskytuje lavínové násobenie a (2) preletová oblasť (oblasť bez dotovania a s konštantným poľom) v ktorom sa generované diery pohybujú smerom ku kontaktu. Možno skonštruovať podobné zariadenia s konfiguráciou, v ktorej generované elektróny z lavínového násobenia preletujú cez nedotovanú oblasť.

Vo všeobecnosti sa diódy IMPATT vyhotovujú ako mikrovlnné sady. Oblasť diódy s jej vysokým poľom je umiestnená v blízkosti medeného chladiča aby sa vzniknutá teplota ľahšie rozptýlila. Podobné mikrovlnné sady sa používajú na umiestenie ďalších mikrovlnných zariadení.

Princíp činnosti[upraviť | upraviť zdroj]

Nárazová ionizácia

Ak voľný elektrón s dostatočnou energiou narazí do atómu kremíka, môže porušiť kovalentnú väzbu kremíka a uvoľniť z nej elektrón. Ak voľný elektrón získa energiu z elektrického poľa v ktorom sa nachádza a uvoľní ďalšie elektróny z ďalších kovalentných väzieb, tento proces sa môže vystupňovať veľmi rýchlo do reťazovej reakcie produkujúc veľké množstvo elektrónov a veľký prúdový tok. Tento fenomén sa nazýva lavínový prieraz. Počas prierazu je oblasť N dierovaná a formuje lavínovú oblasť diódy. Oblasť s vysokým odporom je preletová zóna, cez ktorú sa lavínovo generované elektróny pohybujú smerom k anóde.
Zvážme jednosmerné napätie vb o hodnote menšej ako je potrebná na spôsobenie prierazu, aplikované na diódu. Toto napätie ďalej modulujeme striedavým napätím s dostatočnou veľkosťou. Počas kladnej hodnoty tohto napätia je dióda na hranici prierazu. V čase t=0 je hodnota striedavého napätia nulová a diódou tečie len malý predprierazový prúd. Ako sa t zvyšuje, napätie stúpa nad hodnotu prierazného napätia a sú sekundárne generované ďalšie páry elektrón-diera nárazovou ionizáciou. Počas doby keď sa napätie v lavínovej oblasti nachádza nad hodnotou prierazného napätia, sa exponenciálne s časom t zvyšuje počet elektrónov a dier. Podobne táto koncentrácia klesá exponenciálne s časom t, počas znižovania prierazového napätia počas zápornej polvlny striedavého signálu. Diery vygenerované v lavínovej oblasti zaniknú v oblasti P+ a sú privedené na katódu. Elektróny sú privedené do I oblasti, cez ktorú preletujú do oblasti N+. Potom pole v lavínovej oblasti dosiahne maximálnu hodnotu a vtedy sa začne zvyšovať populácia párov elektrón-diera. V tomto čase ionizačný koeficient dosahuje maximálne hodnoty. Generovaný zhluk elektrónov nenasleduje elektrické pole okamžite, pretože tiež závisí od počtu párov elektrón-diera prítomných v lavínovej oblasti. Z toho dôvodu koncentrácia elektrónov v tomto bode bude mať malú hodnotu. Dokonca i potom ako pole dosiahlo svoju maximálnu hodnotu, koncentrácia elektrónov a dier zostáva rásť. Z tohto dôvodu koncentrácia elektrónov v lavínovej oblasti dosiahne svoju maximálnu hodnotu, keď napätie dosiahne svoju priemernú hodnotu. Lavínová oblasť zavádza fázový posun 90° medzi striedavým signálom a zhlukom elektrónov v tejto oblasti.
S ďalším zvyšovaním t sa striedavé napätie nachádza v zápornej polvlne a pole v lavínovej oblasti klesá pod kritickú hodnotu. Elektróny v lavínovej oblasti sú potom privádzané k preletovej zóne, ktorá zahŕňa prúd vo vonkajšom obvode ktorý má opačnú fázu ako striedavý prúd. Striedavé pole preto absorbuje energiu od preletových elektrónov, ktoré spomaľujú so znižovaním poľa.

Literatúra[upraviť | upraviť zdroj]

  • CHRISTIANSEN D., ALEXANDER C.K, JURGEN R.K. Standard Handbook of Electronic Engineering (5th edition). [s.l.] : McGraw Hill, 2005. ISBN 0-07-138421-9. S. 11.107-11.110. (anglicky)
  • GUPTA M. S., GANDHE, ANKUR. Large-Signal Equivalent Circuit for IMPATT-Diode Characterization and Its Application to Amplifiers. Microwave Theory and Techniques (IEEE Transactions), november 1973, roč. 21, čís. 11, s. 689-694. ISSN 0018-9480.