Microwave-engineering-avalanche-transit-time-devices
雪崩通過時間デバイス
材料を通過する電圧と電流の間にアバランシェと通過時間の遅延があるプロセスは、負性抵抗と呼ばれます。 ダイオードがこの特性を発揮するのに役立つデバイスは、 Avalanche transit time devices と呼ばれます。
このカテゴリに属するデバイスの例は、IMPATT、TRAPATT、およびBARITTダイオードです。 それぞれについて詳しく見てみましょう。
IMPATTダイオード
これは、高周波マイクロ波アプリケーションで使用される高出力半導体ダイオードです。 完全な形式のIMPATTは、 IMPact ionization Avalanche Transit Time diode です。
IMPATTダイオードに電圧勾配を適用すると、大電流が発生します。 これにより、通常のダイオードは最終的に故障します。 ただし、IMPATTダイオードは、これらすべてに耐えるように開発されています。 ダイオードに逆バイアスをかけるために高い電位勾配が適用されるため、少数キャリアが接合部を流れます。
高DC電圧にRF AC電圧を重畳すると、ホールと電子の速度が増加するため、インパクトイオン化によって結晶構造から押し出されてホールと電子が追加されます。 適用された元のDC電界がこの状況を発生させるしきい値にあった場合、アバランシェ電流の増加につながり、このプロセスが続行されます。 これは次の図で理解できます。
この効果により、電流パルスは90°の位相シフトを取ります。 ただし、逆バイアスが印加されるため、そこに存在する代わりにカソードに向かって移動します。 パルスがカソードに到達するのにかかる時間は、 n + 層の厚さに依存し、90°位相シフトするように調整されます。 現在、動的RF負性抵抗が存在することが証明されています。 したがって、IMPATTダイオードは、発振器と増幅器の両方として機能します。
次の図は、IMPATTダイオードの構造の詳細を示しています。
IMPATTダイオードの効率は次のように表されます
\ eta = \ left [\ frac \ {P _ \ {ac}} \ {P _ \ {dc}} \ right] = \ frac \ {V_a} \ {V_d} \ left [\ frac \ {I_a} \ {I_d} \ right]
どこで、
- $ P _ \ {ac} $ = AC電源
- $ P _ \ {dc} $ = DC電源
- $ V_a \：\＆\：I_a $ = AC電圧と電流
- $ V_d \：\＆\：I_d $ = DC電圧と電流
デメリット
IMPATTダイオードの欠点は次のとおりです。
- 雪崩はノイズの多いプロセスなのでノイズが多い
- チューニング範囲はガンダイオードほど良好ではありません
アプリケーション
IMPATTダイオードの用途は次のとおりです。
- マイクロ波発振器
- マイクロ波発生器
- 変調出力発振器
- レシーバー局部発振器
- 負性抵抗増幅
- 侵入アラームネットワーク（高Q IMPATT）
- 警察レーダー（高Q IMPATT）
- 低電力マイクロ波送信機（高Q IMPATT）
- FMテレコム送信機（低Q IMPATT）
- CWドップラーレーダー送信機（低Q IMPATT）
TRAPATTダイオード
TRAPATTダイオードの完全な形式は、* TRAppedプラズマアバランシェトリガードトランジットダイオード*です。 数百MHz〜GHzで動作するマイクロ波発生器。 これらは、通常、n型の空乏領域を持つ幅が2.5〜1.25 µmの n +-p-p + または p + -n-n + 構造の高ピーク電力ダイオードです。 次の図にこれを示します。
ゾーンの背後の低電界領域にトラップされた電子と正孔は、ダイオードの空乏領域を埋めるように作られます。 これは、ダイオードを介して伝播する高電界アバランシェ領域によって行われます。
次の図は、ABが充電、BCがプラズマ形成、DEがプラズマ抽出、EFが残留抽出、FGが充電を示すグラフを示しています。
各ポイントで何が起こるか見てみましょう。
- A：*ポイントAの電圧は、アバランシェ降伏が発生するのに十分ではありません。 Aでは、熱生成による電荷キャリアにより、線形容量のようにダイオードが充電されます。
- A-B：*この時点で、電界の大きさが増加します。 十分な数のキャリアが生成されると、空乏領域全体で電界が低下し、電圧がBからCに低下します。
- C：*この電荷は雪崩の継続に役立ち、電子と正孔の高密度プラズマが生成されます。 電界は、電子または正孔が空乏層から出ないようにさらに抑制され、残りのプラズマをトラップします。
- D：*点Dで電圧が低下します。 総プラズマ電荷は外部電流の単位時間あたりの電荷に比べて大きいため、プラズマをクリアするには長い時間が必要です。
- E：*ポイントEで、プラズマが除去されます。 正孔と電子の残留電荷は、偏向層の一端にそれぞれ残ります。
- EからF：*残留電荷が除去されると、電圧が増加します。
- F：*ポイントFでは、内部で生成されたすべての電荷が除去されます。
- FからG：*ダイオードはコンデンサのように充電されます。
- G：*ポイントGでは、ダイオード電流は半周期でゼロになります。 上のグラフに示すように、電圧は一定のままです。 この状態は、電流が戻ってサイクルが繰り返されるまで続きます。
雪崩ゾーン速度$ V_s $は次のように表されます。
V_s = \ frac \ {dx} \ {dt} = \ frac \ {J} \ {qN_A}
どこで
- $ J $ =電流密度
- $ q $ =電子電荷1.6 x 10 ^ -19 ^
- $ N_A $ =ドーピング濃度
アバランシェゾーンはほとんどのダイオードをすばやく掃引し、キャリアの通過時間は次のように表されます。
\ tau_s = \ frac \ {L} \ {V_s}
どこで
- $ V_s $ =飽和キャリアドリフト速度
- $ L $ =標本の長さ
ここで計算される通過時間は、注入から収集までの時間です。 繰り返される動作により出力が増加してアンプになりますが、回路にシャントで接続されたマイクロ波ローパスフィルターは発振器として機能します。
アプリケーション
このダイオードには多くの用途があります。
- 低電力ドップラーレーダー
- レーダー用局部発振器
- マイクロ波ビーコン着陸システム
- 電波高度計
- フェーズドアレイレーダーなど
BARITTダイオード
- BARITTダイオードの完全な形式は、バリア注入時間ダイオードです。 これらはこのファミリーの最新の発明です。 これらのダイオードにはIMPATTダイオードのような長いドリフト領域がありますが、BARITTダイオードでのキャリア注入は順方向バイアス接合によって引き起こされますが、アバランシェ領域のプラズマによるものではありません。
IMPATTダイオードでは、衝突イオン化のため、キャリア注入は非常にノイズが多くなります。 BARITTダイオードでは、ノイズを回避するために、空乏領域のパンチスルーによりキャリア注入が行われます。 BARITTダイオードの負性抵抗は、p型材料で作られたダイオードのコレクタ端への注入されたホールのドリフトのために得られます。
次の図は、BARITTダイオードの構造の詳細を示しています。
*m-n-m* BARITTダイオードの場合、 *Ps-Si* ショットキー障壁は、* n型Siウェーハ*を間に挟んで金属に接触します。 印加電圧（30v以上）に伴う電流の急激な増加は、半導体への熱イオン正孔注入によるものです。臨界電圧$（Vc）$は、ドーピング定数$（N）$、半導体の長さ$（L）$および半導体誘電率$（\ epsilon S）$に依存します。
V_c = \ frac \ {qNL ^ 2} \ {2 \ epsilon S}
モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）
マイクロ波ICは、重量が軽く、サイズが小さく、信頼性が高く、再現性があるため、従来の導波管または同軸回路の最良の代替品です。 モノリシックマイクロ波集積回路に使用される基本的な材料は-
- 基板材料
- 導体材料
- 誘電体フィルム
- 抵抗膜
これらは、理想的な特性と高効率を持つように選択されています。 回路要素が製造される基板は、材料の誘電率が低く、他の理想的な特性とともに、散逸率が低くなければならないため重要です。 使用される基板材料は、GaAs、フェライト/ガーネット、アルミニウム、ベリリウム、ガラス、およびルチルです。
導体材料は、伝導率が高く、抵抗温度係数が低く、基板およびエッチングへの良好な接着性などを持つように選択されます アルミニウム、銅、金、銀が主に導体材料として使用されます。 誘電材料と抵抗材料は、損失が少なく、安定性が高いように選択されています。
製造技術
ハイブリッド集積回路では、半導体デバイスと受動回路要素は誘電体基板上に形成されます。 受動回路は、分布エレメントまたは集中エレメント、あるいはその両方の組み合わせです。
ハイブリッド集積回路には2つのタイプがあります。
- ハイブリッドIC
- ミニチュアハイブリッドIC
上記の両方のプロセスで、ハイブリッドICは単層メタライゼーション技術を使用してIC上に製造された分散回路要素を使用しますが、ミニチュアハイブリッドICはマルチレベル要素を使用します。
ほとんどのアナログ回路は、メソアイソレーション技術を使用して、FETおよびダイオードに使用されるアクティブなn型領域を分離します。 平面回路は、イオンを半絶縁性基板に注入することにより製造され、絶縁を提供するために、領域はマスクされます。
次の図に示すように、GaAs FETでは、「 Via hole 」テクノロジーを使用して、ソースをグランドに接続されたソース電極に接続します。
MMICには多くの用途があります。
- 軍事通信
- レーダー
- ECM
- フェーズドアレイアンテナシステム
- スペクトラム拡散およびTDMAシステム
これらは費用対効果が高く、DTH、テレコム、計装など、多くの家庭用アプリケーションにも使用されています。
