Dispositivos de tiempo de tránsito de avalancha
El proceso de tener un retraso entre el voltaje y la corriente, en avalancha junto con el tiempo de tránsito, a través del material se denomina resistencia negativa. Los dispositivos que ayudan a que un diodo presente esta propiedad se denominanAvalanche transit time devices.
Los ejemplos de los dispositivos que pertenecen a esta categoría son los diodos IMPATT, TRAPATT y BARITT. Echemos un vistazo a cada uno de ellos, en detalle.
Diodo IMPATT
Este es un diodo semiconductor de alta potencia, utilizado en aplicaciones de microondas de alta frecuencia. La forma completa IMPATT esIMPact ionization Avalanche Transit Time diode.
Un gradiente de voltaje cuando se aplica al diodo IMPATT, da como resultado una corriente alta. Un diodo normal eventualmente se descompondrá por esto. Sin embargo, el diodo IMPATT está desarrollado para soportar todo esto. Se aplica un gradiente de alto potencial para desviar el diodo y, por lo tanto, los portadores minoritarios fluyen a través de la unión.
La aplicación de un voltaje de CA de RF si se superpone a un voltaje de CC alto, el aumento de la velocidad de los huecos y los electrones da como resultado huecos y electrones adicionales sacándolos de la estructura cristalina mediante ionización por impacto. Si el campo de CC original aplicado estaba en el umbral de desarrollar esta situación, entonces conduce a la multiplicación de la corriente de avalancha y este proceso continúa. Esto se puede entender mediante la siguiente figura.
Debido a este efecto, el pulso de corriente tiene un cambio de fase de 90 °. Sin embargo, en lugar de estar allí, se mueve hacia el cátodo debido a la polarización inversa aplicada. El tiempo que tarda el pulso en alcanzar el cátodo depende del grosor den+capa, que se ajusta para hacer un cambio de fase de 90 °. Ahora, se demuestra que existe una resistencia negativa de RF dinámica. Por lo tanto, el diodo IMPATT actúa tanto como oscilador como como amplificador.
La siguiente figura muestra los detalles de construcción de un diodo IMPATT.
La eficiencia del diodo IMPATT se representa como
$$ \ eta = \ left [\ frac {P_ {ac}} {P_ {dc}} \ right] = \ frac {V_a} {V_d} \ left [\ frac {I_a} {I_d} \ right] $$
Dónde,
$ P_ {ac} $ = energía CA
$ P_ {dc} $ = potencia de CC
$ V_a \: \ & \: I_a $ = voltaje y corriente CA
$ V_d \: \ & \: I_d $ = voltaje y corriente CC
Desventajas
Las siguientes son las desventajas del diodo IMPATT.
- Es ruidoso ya que la avalancha es un proceso ruidoso
- El rango de sintonización no es tan bueno como en los diodos Gunn
Aplicaciones
A continuación se muestran las aplicaciones del diodo IMPATT.
- Oscilador de microondas
- Generadores de microondas
- Oscilador de salida modulado
- Receptor oscilador local
- Amplificaciones de resistencia negativa
- Redes de alarma de intrusión (alto Q IMPATT)
- Radar de la policía (alta Q IMPATT)
- Transmisor de microondas de baja potencia (alto Q IMPATT)
- Transmisor de telecomunicaciones FM (bajo Q IMPATT)
- Transmisor de radar CW Doppler (bajo Q IMPATT)
Diodo TRAPATT
La forma completa del diodo TRAPATT es TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode. Un generador de microondas que opera entre cientos de MHz a GHz. Estos son diodos de alta potencia por lo generaln+- p-p+ o p+-n-n+estructuras con región de agotamiento de tipo n, ancho que varía de 2.5 a 1.25 µm. La siguiente figura muestra esto.
Los electrones y los huecos atrapados en la región de campo bajo detrás de la zona están hechos para llenar la región de agotamiento del diodo. Esto se hace mediante una región de avalancha de campo alto que se propaga a través del diodo.
La siguiente figura muestra un gráfico en el que AB muestra la carga, BC muestra la formación de plasma, DE muestra la extracción de plasma, EF muestra la extracción residual y FG muestra la carga.
Veamos qué pasa en cada uno de los puntos.
A:El voltaje en el punto A no es suficiente para que ocurra la ruptura de la avalancha. En A, los portadores de carga debido a la generación térmica dan como resultado la carga del diodo como una capacitancia lineal.
A-B:En este punto, aumenta la magnitud del campo eléctrico. Cuando se genera un número suficiente de portadores, el campo eléctrico se deprime en toda la región de agotamiento, lo que hace que el voltaje disminuya de B a C.
C:Esta carga ayuda a que la avalancha continúe y se crea un denso plasma de electrones y huecos. El campo se deprime aún más para no dejar que los electrones o los huecos salgan de la capa de agotamiento y atrapa el plasma restante.
D: El voltaje disminuye en el punto D. Se requiere mucho tiempo para limpiar el plasma ya que la carga total de plasma es grande en comparación con la carga por unidad de tiempo en la corriente externa.
E:En el punto E, se extrae el plasma. Las cargas residuales de huecos y electrones permanecen en un extremo de la capa de deflexión.
E to F: El voltaje aumenta a medida que se elimina la carga residual.
F: En el punto F, se elimina toda la carga generada internamente.
F to G: El diodo se carga como un condensador.
G:En el punto G, la corriente del diodo llega a cero durante medio período. El voltaje permanece constante como se muestra en el gráfico anterior. Este estado continúa hasta que vuelve la corriente y el ciclo se repite.
La velocidad de la zona de avalancha $ V_s $ se representa como
$$ V_s = \ frac {dx} {dt} = \ frac {J} {qN_A} $$
Dónde
$J$ = Densidad de corriente
$q$= Carga de electrones 1,6 x 10-19
$ N_A $ = Concentración de dopaje
La zona de avalancha barrerá rápidamente la mayor parte del diodo y el tiempo de tránsito de los portadores se representa como
$$ \ tau_s = \ frac {L} {V_s} $$
Dónde
$ V_s $ = Velocidad de deriva de portadora saturada
$ L $ = Longitud de la muestra
El tiempo de tránsito calculado aquí es el tiempo entre la inyección y la recolección. La acción repetida aumenta la salida para convertirlo en un amplificador, mientras que un filtro de paso bajo de microondas conectado en derivación con el circuito puede hacerlo funcionar como un oscilador.
Aplicaciones
Hay muchas aplicaciones de este diodo.
- Radares Doppler de baja potencia
- Oscilador local para radares
- Sistema de aterrizaje de baliza de microondas
- Altímetro de radio
- Radar de matriz en fase, etc.
Diodo BARITT
La forma completa de BARITT Diode is BARrier Injection Transit Time diode. Estos son el último invento de esta familia. Aunque estos diodos tienen regiones de deriva larga como los diodos IMPATT, la inyección de portadora en los diodos BARITT es causada por uniones polarizadas hacia adelante, pero no por el plasma de una región de avalancha como en ellos.
En los diodos IMPATT, la inyección del portador es bastante ruidosa debido a la ionización por impacto. En los diodos BARITT, para evitar el ruido, la inyección de portadora se realiza perforando la región de agotamiento. La resistencia negativa en un diodo BARITT se obtiene debido a la deriva de los orificios inyectados al extremo colector del diodo, fabricado en material tipo p.
La siguiente figura muestra los detalles de construcción de un diodo BARITT.
Para m-n-m Diodo BARITT, Ps-Si La barrera Schottky contacta metales con n-type Si waferentre. Un rápido aumento de la corriente con el voltaje aplicado (por encima de 30 V) se debe a la inyección del orificio termoiónico en el semiconductor.
El voltaje crítico $ (Vc) $ depende de la constante de dopaje $ (N) $, la longitud del semiconductor $ (L) $ y la permitividad dieléctrica del semiconductor $ (\ epsilon S) $ representada como
$$ V_c = \ frac {qNL ^ 2} {2 \ epsilon S} $$
Circuito integrado de microondas monolítico (MMIC)
Los circuitos integrados de microondas son la mejor alternativa a los circuitos coaxiales o de guía de ondas convencionales, ya que son de bajo peso, tamaño pequeño, altamente confiables y reproducibles. Los materiales básicos utilizados para los circuitos integrados de microondas monolíticos son:
- Material de sustrato
- Material conductor
- Películas dieléctricas
- Películas resistivas
Estos se eligen para que tengan características ideales y alta eficiencia. El sustrato sobre el que se fabrican los elementos del circuito es importante ya que la constante dieléctrica del material debe ser alta con un factor de disipación bajo, junto con otras características ideales. Los materiales de sustrato utilizados son GaAs, ferrita / granate, aluminio, berilio, vidrio y rutilo.
El material conductor se elige para que tenga alta conductividad, coeficiente de resistencia a baja temperatura, buena adhesión al sustrato y grabado, etc. El aluminio, el cobre, el oro y la plata se utilizan principalmente como materiales conductores. Los materiales dieléctricos y los materiales resistivos se eligen para que tengan bajas pérdidas y buena estabilidad.
Tecnología de fabricación
En los circuitos integrados híbridos, los dispositivos semiconductores y los elementos del circuito pasivo se forman sobre un sustrato dieléctrico. Los circuitos pasivos son elementos distribuidos o agrupados, o una combinación de ambos.
Los circuitos integrados híbridos son de dos tipos.
- CI híbrido
- IC híbrido en miniatura
En los dos procesos anteriores, el CI híbrido utiliza los elementos del circuito distribuido que se fabrican en el CI utilizando una técnica de metalización de una sola capa, mientras que el CI híbrido en miniatura utiliza elementos de varios niveles.
La mayoría de los circuitos analógicos utilizan tecnología de meso-aislamiento para aislar áreas activas de tipo n utilizadas para FET y diodos. Los circuitos planos se fabrican mediante la implantación de iones en un sustrato semiaislante y, para proporcionar aislamiento, las áreas se enmascaran.
"Via holeLa tecnología se utiliza para conectar la fuente con electrodos fuente conectados a tierra, en un FET de GaAs, que se muestra en la siguiente figura.
Hay muchas aplicaciones de los MMIC.
- Comunicación militar
- Radar
- ECM
- Sistemas de antenas de matriz en fase
- Sistemas de espectro ensanchado y TDMA
Son rentables y también se utilizan en muchas aplicaciones de consumo doméstico como DTH, telecomunicaciones e instrumentación, etc.