Диод IMPATT (диод лавинной ионизации с ударной ионизацией) — это разновидность мощного полупроводникового диода, используемого в высокочастотных микроволновых электронных устройствах. Они имеют отрицательное сопротивление и используются в качестве генераторов и усилителей на микроволновых частотах. Они работают на частотах около 3 и 100 ГГц или выше. Главным преимуществом является их высокая мощность; одиночные диоды IMPATT могут производить непрерывные микроволновые выходы до 3 киловатт и импульсные выходы гораздо более высокой мощности. Эти диоды используются в различных приложениях от маломощных радиолокационных систем до систем сигнализации приближения. Основным недостатком диодов IMPATT является высокий уровень фазового шума, который они генерируют. Это является следствием статистической природы лавинного процесса .
Семейство диодов IMPATT включает в себя множество различных переходов и металлических полупроводниковых приборов . Первое колебание IMPATT было получено из простого кремниевого диода p–n-перехода, смещенного в обратный лавинный пробой и установленного в микроволновом резонаторе. Из-за сильной зависимости коэффициента ионизации от электрического поля большинство пар электрон-дырка генерируется в области сильного поля. Сгенерированный электрон немедленно перемещается в область N, в то время как сгенерированные дырки дрейфуют через область P. Время, необходимое для того, чтобы дырка достигла контакта, составляет задержку времени прохождения.
Первоначальное предложение для микроволнового устройства типа IMPATT было сделано Ридом. Диод Рида состоит из двух областей (1) области лавины (область с относительно высоким легированием и сильным полем), в которой происходит лавинное умножение, и (2) области дрейфа (область с по существу собственным легированием и постоянным полем), в которой сгенерированные дырки дрейфуют к контакту. Аналогичное устройство может быть построено с конфигурацией, в которой электроны, сгенерированные в результате лавинного умножения, дрейфуют через собственную область.
Диод IMPATT обычно монтируется в микроволновом корпусе. Диод монтируется так, чтобы его область с низким полем находилась близко к кремниевому радиатору , чтобы тепло, выделяемое на диодном переходе, могло легко рассеиваться. Аналогичные микроволновые корпуса используются для размещения других микроволновых устройств.
Диод IMPATT работает в узком диапазоне частот, и внутренние размеры диода должны соответствовать желаемой рабочей частоте. Генератор IMPATT можно настроить, регулируя резонансную частоту связанной цепи, а также изменяя ток в диоде; это можно использовать для частотной модуляции .
Если свободный электрон с достаточной энергией ударяет по атому кремния, он может разорвать ковалентную связь кремния и освободить электрон из ковалентной связи. Если освобожденный электрон получает энергию, находясь в электрическом поле, и освобождает другие электроны из других ковалентных связей, то этот процесс может очень быстро перейти в каскадную цепную реакцию, производя большое количество электронов и большой ток. Это явление называется лавинным пробоем.
При пробое n–-область пробивается и образует лавинную область диода. Высокоомная область является зоной дрейфа, через которую лавинно-генерируемые электроны движутся к аноду.
Рассмотрим постоянное смещение V B , немного меньшее, чем требуется для пробоя, приложенное к диоду. Пусть переменное напряжение достаточно большой величины накладывается на постоянное смещение, так что во время положительного цикла переменного напряжения диод глубоко вводится в лавинный пробой. При t = 0 переменное напряжение равно нулю, и через диод протекает только небольшой предпробойный ток. По мере увеличения t напряжение превышает напряжение пробоя, и вторичные электронно-дырочные пары производятся путем ударной ионизации. Пока поле в области лавины поддерживается выше поля пробоя, концентрация электронов и дырок растет экспоненциально с t. Аналогично эта концентрация экспоненциально убывает со временем, когда поле уменьшается ниже напряжения пробоя во время отрицательного колебания переменного напряжения. Дырки, образующиеся в области лавины, исчезают в p+-области и собираются катодом. Электроны инжектируются в i–-зону, где они дрейфуют к n+-области. Затем поле в области лавины достигает своего максимального значения, и популяция пар электрон-дырка начинает расти. В это время коэффициенты ионизации имеют свои максимальные значения. Генерируемая концентрация электронов не следует за электрическим полем мгновенно, поскольку она также зависит от числа пар электрон-дырка, уже присутствующих в области лавины. Следовательно, концентрация электронов в этой точке будет иметь небольшое значение. Даже после того, как поле пройдет свое максимальное значение, концентрация электронов-дырок продолжает расти, поскольку скорость генерации вторичных носителей все еще остается выше своего среднего значения. По этой причине концентрация электронов в области лавины достигает своего максимального значения, когда поле падает до своего среднего значения. Таким образом, ясно, что область лавины вносит фазовый сдвиг на 90° между сигналом переменного тока и концентрацией электронов в этой области.
При дальнейшем увеличении t переменное напряжение становится отрицательным, и поле в области лавины падает ниже своего критического значения. Затем электроны в области лавины инжектируются в зону дрейфа, которая индуцирует ток во внешней цепи, фаза которого противоположна фазе переменного напряжения. Таким образом, переменное поле поглощает энергию дрейфующих электронов, поскольку они замедляются уменьшающимся полем. Очевидно, что идеальный сдвиг фаз между током диода и сигналом переменного тока достигается, если толщина зоны дрейфа такова, что пучок электронов собирается на аноде n + – в момент, когда напряжение переменного тока падает до нуля. Это условие достигается путем придания длине области дрейфа равной длине волны сигнала. Такая ситуация создает дополнительный сдвиг фаз в 90° между напряжением переменного тока и током диода.
В 1956 году У. Т. Рид и Ральф Л. Джонстон из Bell Telephone Laboratories предположили, что лавинный диод, демонстрирующий значительную задержку времени прохождения, может демонстрировать отрицательную характеристику сопротивления . Эффект вскоре был продемонстрирован в обычных кремниевых диодах, и к концу 1960-х годов были созданы генераторы на частоте 340 ГГц. Кремниевые IMPATT-диоды могут непрерывно вырабатывать до 3 киловатт мощности, а более высокая мощность доступна в импульсах. [1]
Микроволновый генератор с аналогичной структурой диода IMPATT — это диод TRAPATT, что означает «trapped plasma avalanche triggered transit» (переход, вызванный лавиной захваченной плазмы). Этот режим работы обеспечивает относительно высокую мощность и эффективность, но на более низкой частоте, чем устройство, работающее в режиме IMPATT. [2]