雪崩渡越時間器件

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在雪崩過程中，電壓和電流之間存在延遲，並且透過材料的渡越時間被稱為負電阻。有助於使二極體表現出這種特性的器件稱為**雪崩渡越時間器件**。

屬於此類器件的例子包括IMPATT、TRAPATT和BARITT二極體。讓我們詳細瞭解一下每一個。

IMPATT二極體

這是一種高功率半導體二極體，用於高頻微波應用。IMPATT的完整形式是**IMPact ionization Avalanche Transit Time diode（衝擊電離雪崩渡越時間二極體）**。

當對IMPATT二極體施加電壓梯度時，會導致高電流。普通的二極體最終會因此擊穿。然而，IMPATT二極體被設計成能夠承受所有這些。施加高電勢梯度來反向偏置二極體，因此少數載流子流過結。

如果在高直流電壓上疊加射頻交流電壓，則空穴和電子的速度增加，導致通過沖擊電離從晶體結構中擊出額外的空穴和電子。如果施加的原始直流場處於產生這種情況的閾值，則會導致雪崩電流倍增，並且此過程繼續進行。可以透過下圖理解這一點。

由於這種效應，電流脈衝發生90°相移。然而，它並沒有停留在那裡，而是由於施加的反向偏置而向陰極移動。脈衝到達陰極所需的時間取決於**n+**層的厚度，該厚度被調整為使其產生90°相移。現在，證明了動態射頻負電阻的存在。因此，IMPATT二極體既充當振盪器又充當放大器。

下圖顯示了IMPATT二極體的結構細節。

IMPATT二極體的效率表示為

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

其中，

• $P_{ac}$ = 交流功率

• $P_{dc}$ = 直流功率

• $V_a \: \& \: I_a$ = 交流電壓和電流

• $V_d \: \& \: I_d$ = 直流電壓和電流

缺點

以下是IMPATT二極體的缺點。

• 它很嘈雜，因為雪崩是一個嘈雜的過程
• 調諧範圍不如耿氏二極體好

應用

以下是IMPATT二極體的應用。

• 微波振盪器
• 微波發生器
• 調製輸出振盪器
• 接收機本振
• 負電阻放大
• 入侵報警網路（高Q IMPATT）
• 警用雷達（高Q IMPATT）
• 低功率微波發射器（高Q IMPATT）
• 調頻通訊發射器（低Q IMPATT）
• 連續波多普勒雷達發射器（低Q IMPATT）

TRAPATT二極體

TRAPATT二極體的全稱是**TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit diode（俘獲等離子體雪崩觸發渡越時間二極體）**。一種在數百MHz到GHz之間工作的微波發生器。這些是高峰值功率二極體，通常為**n+- p-p+**或**p+-n-n+**結構，具有n型耗盡區，寬度在2.5到1.25 µm之間變化。下圖描述了這一點。

使捕獲在低場區域（位於區域後面）的電子和空穴填充二極體中的耗盡區。這是透過一個高場雪崩區域完成的，該區域在二極體中傳播。

下圖顯示了一個圖形，其中AB表示充電，BC表示等離子體形成，DE表示等離子體提取，EF表示殘餘提取，FG表示充電。

讓我們看看在每個點上發生了什麼。

**A：**A點的電壓不足以發生雪崩擊穿。在A點，由於熱產生導致的載流子導致二極體像線性電容一樣充電。

**A-B：**在這一點上，電場的幅度增加。當產生足夠數量的載流子時，電場在整個耗盡區內降低，導致電壓從B降低到C。

**C：**此電荷有助於雪崩持續進行，併產生大量的電子和空穴等離子體。場進一步降低，以防止電子或空穴從耗盡層中逸出，並捕獲剩餘的等離子體。

**D：**電壓在D點下降。清除等離子體需要很長時間，因為與外部電流中每單位時間的電荷相比，總等離子體電荷很大。

**E：**在E點，等離子體被移除。空穴和電子的殘餘電荷分別保留在偏轉層的每一端。

**E到F：**隨著殘餘電荷被移除，電壓增加。

**F：**在F點，所有內部產生的電荷都被移除。

**F到G：**二極體像電容器一樣充電。

**G：**在G點，二極體電流在半個週期內變為零。電壓保持恆定，如上圖所示。這種狀態持續到電流恢復並迴圈重複。

雪崩區速度$V_s$表示為

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

其中

• **$J$** = 電流密度

• **$q$** = 電子電荷 1.6 x 10^-19

• $N_A$ = 摻雜濃度

雪崩區將快速掃過大部分二極體，載流子的渡越時間表示為

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

其中

• $V_s$ = 飽和載流子漂移速度

• $L$ = 樣品的長度

這裡計算的渡越時間是注入和收集之間的時間。重複的動作增加了輸出，使其成為放大器，而與電路並聯連線的微波低通濾波器可以使其作為振盪器工作。

應用

這種二極體有很多應用。

• 低功率多普勒雷達
• 雷達本地振盪器
• 微波信標著陸系統
• 無線電高度計
• 相控陣雷達等。

BARITT二極體

**BARITT二極體的全稱是BARrier Injection Transit Time diode（勢壘注入渡越時間二極體）**。這些是該系列中最新發明的器件。雖然這些二極體與IMPATT二極體一樣具有長的漂移區，但BARITT二極體中的載流子注入是由正向偏置結引起的，而不是由雪崩區域的等離子體引起的。

在IMPATT二極體中，由於衝擊電離，載流子注入非常嘈雜。在BARITT二極體中，為了避免噪聲，載流子注入由耗盡區的擊穿提供。BARITT二極體中的負電阻是由於注入的空穴漂移到由p型材料製成的二極體的集電極端而獲得的。

下圖顯示了BARITT二極體的結構細節。

對於**m-n-m** BARITT二極體，**Ps-Si**肖特基勢壘接觸金屬與中間的**n型Si晶片**。電流隨施加電壓（超過30v）的快速增加是由於熱電子空穴注入到半導體中。

臨界電壓$(Vc)$取決於摻雜常數$(N)$、半導體長度$(L)$和半導體介電常數$(\epsilon S)$，表示為

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

單片微波積體電路（MMIC）

微波IC是傳統波導或同軸電路的最佳替代方案，因為它們重量輕、尺寸小、可靠性高且可重複性好。用於單片微波積體電路的基本材料有：

• 襯底材料
• 導體材料
• 電介質薄膜
• 電阻薄膜

這些材料的選擇是為了具有理想的特性和高效率。電路元件製造在其上的襯底非常重要，因為材料的介電常數應該高，耗散因子低，以及其他理想特性。使用的襯底材料包括GaAs、鐵氧體/石榴石、鋁、鈹、玻璃和金紅石。

導體材料的選擇是為了具有高電導率、低電阻溫度係數、良好的襯底附著性和蝕刻性等。鋁、銅、金和銀主要用作導體材料。電介質材料和電阻材料的選擇是為了具有低損耗和良好的穩定性。

製造技術

在混合積體電路中，半導體器件和無源電路元件形成在電介質襯底上。無源電路是分散式元件或集總元件，或者兩者的組合。

混合積體電路有兩種型別。

• 混合IC
• 微型混合IC

在上述兩種工藝中，混合IC使用分散式電路元件，這些元件使用單層金屬化技術在IC上製造，而微型混合IC使用多層元件。

大多數類比電路使用介觀隔離技術來隔離用於FET和二極體的活性n型區域。平面電路是透過將離子注入到半絕緣襯底中來製造的，為了提供隔離，這些區域被掩蔽。

“**過孔**”技術用於將源極與連線到地面的源極電極連線，在GaAs FET中，如下圖所示。

MMIC有很多應用。

• 軍事通訊
• 雷達
• 電子對抗（ECM）
• 相控陣天線系統
• 擴頻和TDMA系統

它們具有成本效益，也應用於許多家用消費領域，例如DTH、電信和儀器儀表等。