IMPATTダイオード

IMPATT ダイオード(衝撃イオン化アバランシェ通過時間ダイオード) は、高周波マイクロ波電子デバイスで使用される高出力半導体 ダイオードの一種です。負性抵抗を持ち、マイクロ波周波数で発振器や増幅器として使用されます。約 3 GHz および 100 GHz 以上の周波数で動作します。主な利点は高出力能力です。単一の IMPATT ダイオードは、最大 3 キロワットの連続マイクロ波出力と、はるかに高い出力のパルス出力を生成できます。これらのダイオードは、低出力レーダーシステムから近接警報まで、さまざまなアプリケーションで使用されます。IMPATT ダイオードの主な欠点は、生成される位相ノイズのレベルが高いことです。これは、アバランシェ プロセスの統計的性質に起因します。

IMPATT ダイオード ファミリには、さまざまな接合部と金属半導体デバイスが含まれます。最初の IMPATT 発振は、逆アバランシェ ブレークダウンにバイアスされ、マイクロ波キャビティに取り付けられた単純なシリコンp-n 接合ダイオードから得られました。電離係数は電界に大きく依存するため、ほとんどの電子正孔対は高電界領域で生成されます。生成された電子はすぐに N 領域に移動し、生成された正孔は P 領域を横切って移動します。正孔が接点に到達するのに必要な時間が、通過時間遅延を構成します。

IMPATT タイプのマイクロ波デバイスの最初の提案は、Read によってなされました。Read ダイオードは、(1) アバランシェ増幅が起こるアバランシェ領域 (比較的高いドーピングと高い電界を持つ領域) と (2) 生成されたホールがコンタクトに向かってドリフトするドリフト領域 (本質的に固有のドーピングと一定の電界を持つ領域) の 2 つの領域で構成されています。アバランシェ増幅から生成された電子が固有領域をドリフトする構成で、同様のデバイスを構築できます。

IMPATT ダイオードは、通常、マイクロ波パッケージに搭載されます。ダイオードは、低電界領域がシリコンヒートシンクに近い状態で搭載されるため、ダイオード接合部で発生した熱が容易に放散されます。同様のマイクロ波パッケージは、他のマイクロ波デバイスを収容するのにも使用されます。

IMPATT ダイオードは狭い周波数帯域で動作し、ダイオードの内部寸法は目的の動作周波数と相関している必要があります。IMPATT 発振器は、結合回路の共振周波数を調整することで調整でき、ダイオードの電流を変化させることによっても調整できます。これは周波数変調に使用できます。

十分なエネルギーを持つ自由電子がシリコン原子に衝突すると、シリコンの共有結合が切断され、共有結合から電子が解放されます。解放された電子が電界内にいることでエネルギーを得て、他の共有結合から他の電子を解放すると、このプロセスは連鎖反応に急速に発展し、大量の電子と大電流が生成されます。この現象はアバランシェ破壊と呼ばれます。

ブレークダウン時に、n 領域がパンチスルーされ、ダイオードのアバランシェ領域が形成されます。高抵抗領域は、アバランシェによって生成された電子がアノードに向かって移動するドリフト ゾーンです。

ダイオードに印加される直流バイアス V _B（ブレークダウンを起こすのに必要な電圧よりわずかに低い電圧）について考えてみましょう。直流バイアスに十分大きな交流電圧を重畳し、交流電圧の正のサイクル中にダイオードがアバランシェブレークダウンの深いところまで駆動されるようにします。t = 0 では、交流電圧はゼロで、ダイオードにはブレークダウン前の小さな電流のみが流れます。t が増加するにつれて、電圧はブレークダウン電圧を超え、衝突イオン化によって二次電子正孔対が生成されます。アバランシェ領域の電界がブレークダウン電界より高く維持されている限り、電子正孔濃度は t とともに指数関数的に増加します。同様に、交流電圧の負のスイング中に電界がブレークダウン電圧より低くなると、この濃度は時間とともに指数関数的に減少します。アバランシェ領域で生成された正孔は p+ 領域で消え、カソードによって収集されます。電子は i - ゾーンに注入され、n+ 領域に向かってドリフトします。次に、アバランシェ領域の電界が最大値に達し、電子正孔対の個体数が増加し始めます。このとき、イオン化係数は最大値をとります。生成された電子濃度は、アバランシェ領域にすでに存在する電子正孔対の数にも依存するため、電界に瞬時に追従するわけではありません。したがって、この時点での電子濃度は小さな値になります。電界が最大値を超えた後でも、二次キャリア生成率が依然として平均値を上回っているため、電子正孔濃度は増加し続けます。このため、アバランシェ領域の電子濃度は、電界が平均値まで低下したときに最大値に達します。したがって、アバランシェ領域によって、この領域の AC 信号と電子濃度の間に 90° の位相シフトが生じることは明らかです。

t がさらに増加すると、AC 電圧は負になり、アバランシェ領域の電界は臨界値を下回ります。アバランシェ領域の電子はドリフト ゾーンに注入され、AC 電圧と逆位相の電流が外部回路に誘導されます。したがって、AC 電界は、減少する電界によって減速されるドリフト電子からエネルギーを吸収します。ドリフト ゾーンの厚さが、AC 電圧がゼロになる瞬間に n ⁺ – アノードに電子の束が集まるような厚さであれば、ダイオード電流と AC 信号の間に理想的な位相シフトが実現されることは明らかです。この条件は、ドリフト領域の長さを信号の波長と等しくすることで実現されます。この状況では、AC 電圧とダイオード電流の間に 90° の追加の位相シフトが発生します。

1956年、ベル電話研究所のWTリードとラルフ・L・ジョンストンは、大きな通過時間遅延を示すアバランシェダイオードが負性抵抗特性を示す可能性があると提案した。この効果はすぐに通常のシリコンダイオードで実証され、1960年代後半には340GHzの発振器が製造された。シリコンIMPATTダイオードは最大3キロワットの電力を連続的に生成でき、パルスではより高い電力も利用できる。^[1]

IMPATTダイオードに似た構造を持つマイクロ波発振器デバイスにTRAPATTダイオードがある。これは「トラップされたプラズマの雪崩による遷移」を意味する。この動作モードでは比較的高い電力と効率が得られるが、IMPATTモードで動作するデバイスよりも周波数は低くなる。^[2]

• BARITTダイオード
• ガンダイオード
• トンネルダイオード

• D. Christiansen、CK Alexander、RK Jurgen (編) 『電子工学標準ハンドブック(第 5 版)』、McGraw Hill、p. 11.107–11.110 (2005)、ISBN 0-07-138421-9。 
• MS Gupta: IMPATT ダイオードの特性評価のための大信号等価回路とアンプへの応用。689–694 (1973 年 11 月)。マイクロ波理論と技術。IEEEトランザクション巻: 21。発行: 11。ISSN 0018-9480
• RL Jonston、BC DeLoach Jr.、BG Cohen:シリコンダイオード発振器。ベルシステム技術ジャーナル。44、369 ( 1965)
• 小溝 秀、伊藤 勇、芦田 秀、篠田 正治：「高容量 11 GHz FM 無線中継装置用 0.5 W CW IMPATT ダイオード増幅器」 14～20 (1973 年 2 月)。IEEEジャーナル巻: 8。号: 1。ISSN 0018-9200
• W. T. Read, Jr.、「高周波負性抵抗ダイオードの提案」、 Bell System Technical Journal、37、401 (1958)。
• SM Sze:半導体デバイスの物理学。第2版。John Wiley & Sons。566–636 (1981) 。ISBN 0-471-05661-8 
• MS Tyagi :半導体材料とデバイス入門。John Wiley & Sons。311–320 (1991)。ISBN 0-471-60560-3