雪崩渡越时间装置
电压和电流之间存在延迟、雪崩以及传输时间穿过材料的过程被称为负电阻。有助于使二极管表现出这种特性的器件称为雪崩渡越时间器件。
此类器件的示例包括 IMPATT、TRAPATT 和 BARITT 二极管。让我们详细看看它们中的每一个。
冲击二极管
这是一种高功率半导体二极管，用于高频微波应用。IMPATT 的完整形式是IMPact 电离雪崩渡越时间二极管。
当施加到 IMPATT 二极管时，电压梯度会产生高电流。普通二极管最终会因此被击穿。然而，IMPATT 二极管的开发就是为了承受这一切。施加高电势梯度以反向偏置二极管，因此少数载流子流过结。
如果施加射频交流电压叠加在高直流电压上，则空穴和电子的速度增加，通过碰撞电离将它们从晶体结构中击出，从而产生额外的空穴和电子。如果施加的原始直流场处于发展这种情况的阈值，那么它会导致雪崩电流倍增，并且该过程会继续下去。这可以通过下图来理解。
由于这种效应，电流脉冲发生 90° 的相移。然而，由于施加反向偏压，它并没有在那里，而是向阴极移动。脉冲到达阴极所需的时间取决于n+层的厚度，调整该厚度以使其相移 90°。现在，动态射频负电阻被证明存在。因此，IMPATT 二极管既充当振荡器又充当放大器。
下图显示了 IMPATT 二极管的结构细节。
IMPATT 二极管的效率表示为
$$\eta = \left [ \frac{P_{ac}}{P_{dc}} \right ] = \frac{V_a}{V_d}\left [ \frac{I_a}{I_d} \right ]$$
在哪里，
$P_{ac}$ = 交流电源
$P_{dc}$ = 直流电源
$V_a \: \& \: I_a$ = 交流电压和电流
$V_d \: \& \: I_d$ = 直流电压和电流
缺点
以下是 IMPATT 二极管的缺点。
- 它很吵，因为雪崩是一个吵闹的过程
- 调谐范围不如耿氏二极管那么好
应用领域
以下是IMPATT二极管的应用。
- 微波振荡器
- 微波发生器
- 调制输出振荡器
- 接收器本地振荡器
- 负阻放大
- 入侵报警网络（高 Q IMPATT）
- 警用雷达（高Q IMPATT）
- 低功率微波发射器（高Q IMPATT）
- FM 电信发射机（低 Q IMPATT）
- CW 多普勒雷达发射机（低 Q IMPATT）
特拉帕二极管
TRAPATT 二极管的完整形式是捕获等离子体雪崩触发传输二极管。工作频率为数百 MHz 至 GHz 的微波发生器。这些是高峰值功率二极管，通常为n+- p-p+或p+-n-n+结构，具有 n 型耗尽区，宽度从 2.5 到 1.25 µm 不等。下图描述了这一点。
被捕获在该区域后面的低场区域中的电子和空穴被用来填充二极管中的耗尽区。这是通过通过二极管传播的高场雪崩区域来完成的。
下图所示为曲线图，其中AB表示充电，BC表示血浆形成，DE表示血浆提取，EF表示残留提取，FG表示充电。
让我们看看每个点会发生什么。
A： A点的电压不足以发生雪崩击穿。在 A 处，由于热生成而产生的电荷载流子导致二极管充电，就像线性电容一样。
AB：此时，电场强度增大。当产生足够数量的载流子时，整个耗尽区的电场减弱，导致电压从 B 降低到 C。
C：这种电荷有助于雪崩继续，并产生电子和空穴的致密等离子体。场进一步减弱，以免电子或空穴离开耗尽层，并捕获剩余的等离子体。
D：在D点电压降低。由于等离子体总电荷与外部电流中每单位时间的电荷相比较大，所以需要很长时间来清除等离子体。
E：在E点，等离子体被去除。空穴和电子的残余电荷分别保留在偏转层的一端。
E 至 F：随着残余电荷的去除，电压增加。
F：在F点，内部产生的所有电荷被移除。
F 到 G：二极管像电容器一样充电。
G：在G点，二极管电流在半个周期内为零。电压保持恒定，如上图所示。这种状态一直持续到电流恢复并重复该循环。
雪崩区速度 $V_s$ 表示为
$$V_s = \frac{dx}{dt} = \frac{J}{qN_A}$$
在哪里
$J$ = 电流密度
$q$ = 电子电荷 1.6 x 10 -19
$N_A$ = 掺杂浓度
雪崩区将快速扫过二极管的大部分，载流子的渡越时间表示为
$$\tau_s = \frac{L}{V_s}$$
在哪里
$V_s$ = 饱和载流子漂移速度
$L$ = 样本长度
这里计算的通过时间是注射和收集之间的时间。重复的动作增加了输出，使其成为放大器，而与电路并联的微波低通滤波器可以使其作为振荡器工作。
应用领域
这种二极管有很多应用。
- 低功率多普勒雷达
- 雷达本地振荡器
- 微波信标着陆系统
- 无线电高度计
- 相控阵雷达等
巴里特二极管
BARITT 二极管的完整形式是 BARrier 注入传输时间二极管。这些是该家族的最新发明。尽管这些二极管与 IMPATT 二极管一样具有长漂移区，但 BARITT 二极管中的载流子注入是由正向偏置结引起的，而不是像它们那样来自雪崩区域的等离子体。
在 IMPATT 二极管中，由于碰撞电离，载流子注入的噪声非常大。在 BARITT 二极管中，为了避免噪声，通过耗尽区的穿通来提供载流子注入。BARITT 二极管中的负电阻是由于注入的空穴漂移到由 p 型材料制成的二极管的集电极端而获得的。
下图显示了 BARITT 二极管的结构细节。
对于mnm BARITT 二极管，Ps-Si肖特基势垒与金属接触，n 型硅晶圆位于其间。由于热电子空穴注入半导体，电流随着施加电压（高于 30v）而快速增加。
临界电压 $(Vc)$ 取决于掺杂常数 $(N)$、半导体长度 $(L)$ 和半导体介电常数 $(\epsilon S)$，表示为
$$V_c = \frac{qNL^2}{2\epsilon S}$$
单片微波集成电路 (MMIC)
微波 IC 是传统波导或同轴电路的最佳替代品，因为它们重量轻、尺寸小、高度可靠且可重复。用于单片微波集成电路的基本材料是 -
- 基材材质
- 导体材质
- 介电薄膜
- 电阻膜
这些被选择为具有理想的特性和高效率。制造电路元件的基板非常重要，因为材料的介电常数应该较高，损耗因数较低，并且具有其他理想特性。使用的基板材料有砷化镓、铁氧体/石榴石、铝、铍、玻璃和金红石。
导体材料的选择应具有高导电率、低电阻温度系数、与基材的附着力好、蚀刻性好等特点。导体材料主要采用铝、铜、金、银等。所选择的介电材料和电阻材料具有低损耗和良好的稳定性。
制造技术
在混合集成电路中，半导体器件和无源电路元件形成在介电基板上。无源电路要么是分布式元件，要么是集总元件，或者是两者的组合。
混合集成电路有两种类型。
- 混合集成电路
- 微型混合IC
在上述两种工艺中，混合 IC 使用采用单层金属化技术在 IC 上制造的分布式电路元件，而微型混合 IC 使用多层元件。
大多数模拟电路使用介观隔离技术来隔离用于 FET 和二极管的有源 n 型区域。平面电路是通过将离子注入半绝缘衬底来制造的，并且为了提供隔离，该区域被遮蔽。
在GaAs FET中，采用“过孔”技术将源极与源极接地，如下图所示。
MMIC 有很多应用。
- 军事通讯
- 雷达
- 细胞外基质
- 相控阵天线系统
- 扩频和 TDMA 系统
它们具有成本效益，也用于许多国内消费应用，如 DTH、电信和仪器仪表等。