El diodo de tránsito de avalancha (LPD, IMPATT diode) es un diodo basado en la multiplicación de avalancha de portadores de carga. Los diodos Avalanche-span se utilizan principalmente para generar oscilaciones en el rango de microondas . Los procesos que ocurren en la estructura semiconductora del diodo conducen al hecho de que el componente activo de la resistencia compleja en una pequeña señal alterna en un cierto rango de frecuencia es negativo. En la característica corriente-voltaje del diodo avalancha-span, a diferencia del diodo túnel , no hay sección con resistencia diferencial negativa. El área de trabajo para el diodo de amplitud de avalancha es la región de ruptura de la avalancha.
La idea que subyace al funcionamiento del diodo de tránsito de avalancha fue formulada en 1958 [1] por W. T. Read . El efecto de la generación de oscilaciones durante la ruptura de una avalancha fue descubierto en 1959 por A. S. Tager, A. I. Melnikov y otros ( NPP Istok , Fryazino , Región de Moscú ) [1] [2] . El primer diodo de avalancha se desarrolló en el laboratorio de diodos de microondas del Instituto de Investigación "Pulsar" bajo la dirección de V. M. Vald-Perlov .
Para la fabricación de diodos de avalancha, se utilizan arseniuro de silicio y galio . Dichos diodos pueden tener varias estructuras semiconductoras: p + -nn + , p + -nin + , mnn + (mn es una unión metal-semiconductor), n + -npp + y otras. La distribución de las concentraciones de impurezas en las uniones debe ser lo más parecida posible a la forma escalonada, y las propias uniones deben ser lo más planas posible.
Consideraremos el principio de funcionamiento del diodo de avalancha usando el ejemplo de estructuras p + -nn + . La región n central ligeramente dopada se llama base .
A un voltaje cercano al voltaje de ruptura, la capa empobrecida de la unión p + -n se extiende a toda la base. En este caso, la intensidad del campo eléctrico aumenta desde la unión nn + hasta la unión p + -n, cerca de la cual se puede distinguir una región delgada en la que la intensidad supera el valor de ruptura y se produce una avalancha de portadores. Los huecos formados en este caso son atraídos por el campo hacia la región p + , y los electrones se desplazan hacia la región n + . Esta área se llama la capa de reproducción de avalancha. Fuera de él, no surgen electrones adicionales. Por lo tanto, la capa de multiplicación de avalancha es un proveedor de electrones.
Cuando se aplica un voltaje alterno a los contactos del diodo, de modo que durante el semiciclo positivo el voltaje es significativamente mayor, y durante el semiciclo negativo es significativamente menor que el voltaje de ruptura, la corriente en la capa de multiplicación toma en forma de pulsos cortos, cuyo máximo se retrasa con respecto al máximo de tensión en aproximadamente una cuarta parte del período ( retardo de avalancha ). De la capa de multiplicación salen periódicamente grupos de electrones, que se mueven a través de la capa de deriva durante el semiciclo negativo, cuando se detiene el proceso de generación de electrones en la capa de multiplicación. Los haces en movimiento inducen una corriente en el circuito externo que es casi constante durante el tiempo de vuelo. Así, la corriente en el diodo tiene forma de pulsos rectangulares. Este modo de funcionamiento del diodo se denomina transitorio ( IMPATT -diodes) [2] . La eficiencia de este modo no supera 0,3.
Si la amplitud del voltaje alterno a través del diodo alcanza un valor aproximadamente igual al voltaje de ruptura, entonces en la región de avalancha se forma una carga espacial de electrones tan densa que la intensidad del campo desde el lado de la región p + disminuye casi a cero , y en la región base se eleva a un nivel suficiente para el proceso de ionización del impacto del desarrollo. Como resultado de este proceso, la capa de multiplicación de la avalancha se desplaza y se forma en la región base en la parte delantera del grupo de electrones. Por lo tanto, se forma una avalancha que se mueve en la dirección de la región n + en la región de deriva, lo que deja atrás una gran cantidad de electrones y huecos. En la región llena de estos portadores, la intensidad del campo disminuye casi a cero. Este estado se denomina comúnmente plasma semiconductor compensado , y el modo de funcionamiento del diodo de tránsito de avalancha se denomina modo de plasma atrapado (diodos TRAPATT) [2] .
En este modo, se pueden distinguir tres fases. El primero es la formación de un frente de choque de avalancha, su paso por el diodo, dejándolo lleno de plasma capturado por un débil campo eléctrico. La corriente que fluye a través del diodo en esta fase aumenta significativamente debido a la multiplicación adicional de portadores en la base, y el voltaje a través del diodo disminuye casi a cero debido a la formación de plasma. La segunda fase es el período de recuperación. La base del diodo en esta fase está llena de plasma de huecos de electrones. Los huecos de la región base derivan hacia la región p + y los electrones hacia la región n + a una velocidad mucho menor que la velocidad de deriva de saturación. El plasma se reabsorbe gradualmente. La corriente en esta fase permanece sin cambios. Comienza la tercera fase, caracterizada por un alto valor de la intensidad de campo en el diodo y que precede a la nueva formación de un frente de choque de avalancha. Es la tercera fase la que tiene mayor duración.
Los procesos del régimen con plasma atrapado transcurren notablemente más que los procesos del régimen de tránsito. Por lo tanto, cuando se opera en el modo de plasma capturado, el circuito se sintoniza a una frecuencia más baja. La eficiencia del modo con plasma atrapado es notablemente más alta que la eficiencia del modo de tránsito y supera el 0,5.
Existe una variedad de diodos de tránsito de avalancha que funcionan en el modo de tránsito de inyección (diodos BARITT) [2] .
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