ديود IMPATT

الصمام الثنائي IMPATT (صمام ثنائي زمن عبور الانهيار التأيني التأثيري) هو شكل من أشكال الصمام الثنائي أشباه الموصلات عالية الطاقة المستخدم في الأجهزة الإلكترونية ذات الموجات الدقيقة عالية التردد. تتمتع هذه الصمامات بمقاومة سلبية وتُستخدم كمذبذبات ومضخمات عند ترددات الموجات الدقيقة. تعمل هذه الصمامات عند ترددات تبلغ حوالي 3 و100 جيجاهرتز أو أعلى. تتمثل الميزة الرئيسية في قدرتها العالية على الطاقة؛ حيث يمكن للصمامات الثنائية IMPATT الفردية إنتاج مخرجات موجات دقيقة مستمرة تصل إلى 3 كيلووات ومخرجات نبضية ذات طاقة أعلى بكثير. تُستخدم هذه الصمامات الثنائية في مجموعة متنوعة من التطبيقات من أنظمة الرادار منخفضة الطاقة إلى أجهزة الإنذار القريبة. يتمثل العيب الرئيسي للصمامات الثنائية IMPATT في المستوى العالي من ضوضاء الطور التي تولدها. وينتج هذا عن الطبيعة الإحصائية لعملية الانهيار .

تتضمن عائلة الثنائيات IMPATT العديد من الوصلات المختلفة وأجهزة أشباه الموصلات المعدنية . تم الحصول على أول تذبذب IMPATT من ثنائي بسيط من السيليكون ذو الوصلة p-n متحيز في انهيار جليدي عكسي ومثبت في تجويف ميكروويف. نظرًا للاعتماد القوي لمعامل التأين على المجال الكهربائي، يتم إنشاء معظم أزواج الإلكترونات والفجوات في منطقة المجال العالي. ينتقل الإلكترون الناتج على الفور إلى منطقة N، بينما تنجرف الفجوات الناتجة عبر منطقة P. يشكل الوقت المطلوب لوصول الثقب إلى جهة الاتصال تأخير وقت العبور.

كان الاقتراح الأصلي لجهاز ميكروويف من نوع IMPATT من قِبَل Read. يتكون ثنائي Read من منطقتين (1) منطقة الانهيار (منطقة ذات تشويب مرتفع نسبيًا وحقل مرتفع) حيث يحدث تضاعف الانهيار و(2) منطقة الانجراف (منطقة ذات تشويب جوهري وحقل ثابت بشكل أساسي) حيث تنجرف الثقوب الناتجة نحو جهة الاتصال. يمكن بناء جهاز مماثل بالتكوين الذي تنجرف فيه الإلكترونات الناتجة عن تضاعف الانهيار عبر المنطقة الجوهرية.

يتم تركيب الصمام الثنائي IMPATT بشكل عام في حزمة ميكروويف. يتم تركيب الصمام الثنائي بحيث تكون منطقة المجال المنخفض الخاصة به قريبة من مبدد حراري من السيليكون بحيث يمكن تبديد الحرارة المتولدة عند تقاطع الصمام الثنائي بسهولة. تُستخدم حزم ميكروويف مماثلة لإيواء أجهزة ميكروويف أخرى.

يعمل الصمام الثنائي IMPATT على نطاق تردد ضيق، ويجب أن تتوافق الأبعاد الداخلية للصمام الثنائي مع تردد التشغيل المطلوب. يمكن ضبط مذبذب IMPATT عن طريق ضبط التردد الرنان للدائرة المقترنة، وأيضًا عن طريق تغيير التيار في الصمام الثنائي؛ يمكن استخدام هذا لتعديل التردد .

إذا اصطدم إلكترون حر بطاقة كافية بذرة سيليكون، فيمكنه كسر الرابطة التساهمية للسيليكون وتحرير إلكترون من الرابطة التساهمية. إذا اكتسب الإلكترون المحرر طاقة من خلال وجوده في مجال كهربائي وحرر إلكترونات أخرى من روابط تساهمية أخرى، فيمكن أن تتسلسل هذه العملية بسرعة كبيرة إلى تفاعل متسلسل، مما ينتج عنه عدد كبير من الإلكترونات وتدفق تيار كبير. تسمى هذه الظاهرة بالانهيار الجليدي.

عند الانهيار، يتم اختراق المنطقة n- وتشكيل منطقة الانهيار للديود. المنطقة ذات المقاومة العالية هي منطقة الانجراف التي تتحرك من خلالها الإلكترونات الناتجة عن الانهيار نحو الأنود.

لنفترض وجود تحيز تيار مستمر V _B ، أقل بقليل من المطلوب للتسبب في الانهيار، مطبقًا على الصمام الثنائي. لنفرض جهد تيار متردد ذو مقدار كبير بدرجة كافية على تحيز التيار المستمر، بحيث يتم دفع الصمام الثنائي عميقًا في انهيار الانهيار أثناء الدورة الإيجابية لجهد التيار المتردد. عند t = 0، يكون جهد التيار المتردد صفرًا، ويتدفق تيار ما قبل الانهيار صغير فقط عبر الصمام الثنائي. مع زيادة t، يتجاوز الجهد جهد الانهيار وتنتج أزواج الإلكترونات والفجوات الثانوية عن طريق التأين التأثيري. طالما تم الحفاظ على المجال في منطقة الانهيار فوق مجال الانهيار، فإن تركيز الإلكترونات والفجوات ينمو بشكل كبير مع t. وبالمثل، يتلاشى هذا التركيز بشكل كبير مع الوقت عندما ينخفض ​​المجال إلى ما دون جهد الانهيار أثناء التأرجح السالب لجهد التيار المتردد. تختفي الثقوب الناتجة في منطقة الانهيار في منطقة p+ ويتم جمعها بواسطة الكاثود. يتم حقن الإلكترونات في منطقة i- حيث تنجرف نحو منطقة n+. ثم يصل المجال في منطقة الانهيار إلى أقصى قيمته ويبدأ عدد أزواج الإلكترونات والفجوات في التراكم. وفي هذا الوقت، تكون معاملات التأين لها أقصى قيمها. ولا يتبع تركيز الإلكترونات المتولد المجال الكهربائي بشكل فوري لأنه يعتمد أيضًا على عدد أزواج الإلكترونات والفجوات الموجودة بالفعل في منطقة الانهيار. وبالتالي، فإن تركيز الإلكترونات في هذه المرحلة سيكون له قيمة صغيرة. وحتى بعد أن يتجاوز المجال قيمته القصوى، يستمر تركيز الإلكترونات والفجوات في النمو لأن معدل توليد الناقل الثانوي لا يزال أعلى من قيمته المتوسطة. ولهذا السبب، يصل تركيز الإلكترونات في منطقة الانهيار إلى أقصى قيمته عندما ينخفض ​​المجال إلى قيمته المتوسطة. وبالتالي، من الواضح أن منطقة الانهيار تقدم تحول طور بمقدار 90 درجة بين إشارة التيار المتردد وتركيز الإلكترونات في هذه المنطقة.

مع زيادة أخرى في t، يصبح الجهد المتردد سالبًا، وينخفض ​​المجال في منطقة الانهيار إلى ما دون قيمته الحرجة. ثم يتم حقن الإلكترونات الموجودة في منطقة الانهيار في منطقة الانجراف مما يحفز تيارًا في الدائرة الخارجية له طور معاكس لطور الجهد المتردد. وبالتالي، يمتص المجال المتردد الطاقة من الإلكترونات المنجرفة حيث يتم إبطاؤها بواسطة المجال المتناقص. من الواضح أنه يتم تحقيق تحول طور مثالي بين تيار الصمام الثنائي وإشارة التيار المتردد إذا كان سمك منطقة الانجراف بحيث يتم جمع مجموعة الإلكترونات عند الأنود n ⁺ - في اللحظة التي يتحول فيها الجهد المتردد إلى الصفر. يتم تحقيق هذا الشرط عن طريق جعل طول منطقة الانجراف مساويًا لطول موجة الإشارة. ينتج عن هذا الوضع تحول طور إضافي بمقدار 90 درجة بين الجهد المتردد وتيار الصمام الثنائي.

في عام 1956، اقترح WT Read وRalph L. Johnston من مختبرات Bell Telephone Laboratories أن الصمام الثنائي الانهياري الذي أظهر تأخيرًا كبيرًا في وقت العبور قد يظهر خاصية مقاومة سلبية . سرعان ما تم إثبات التأثير في الصمامات الثنائية السيليكونية العادية وبحلول أواخر الستينيات تم إنتاج مذبذبات بتردد 340 جيجاهرتز. يمكن للصمامات الثنائية IMPATT السيليكونية إنتاج ما يصل إلى 3 كيلووات من الطاقة بشكل مستمر، مع توفر طاقة أعلى في النبضات. ^[1]

جهاز مذبذب ميكروويف ذو بنية مشابهة للديود IMPATT هو الديود TRAPATT، والذي يرمز إلى "ترانزيت البلازما المحاصرة المحفز بالانهيار الجليدي". ينتج هذا النمط من التشغيل طاقة وكفاءة عالية نسبيًا، ولكن بتردد أقل من الجهاز الذي يعمل في وضع IMPATT. ^[2]

• ثنائي باريت
• ديود جان
• الصمام الثنائي النفقي

• د. كريستيانسن، سي كيه ألكسندر، وآر كيه يورجن (المحررون) الدليل القياسي للهندسة الإلكترونية (الطبعة الخامسة). ماكجرو هيل. ص. 11.107–11.110 (2005). ISBN 0-07-138421-9 . 
• MS Gupta: Large-Signal Equivalent Circuit for IMPATT-Diode Characterization and Its Application to Amplifiers . 689–694 (نوفمبر 1973). نظرية الموجات الدقيقة والتقنيات المستخدمة. IEEE Transactions المجلد: 21. العدد: 11. ISSN 0018-9480
• RL Jonston وBC DeLoach Jr. وBG Cohen: مذبذب ثنائي السيليكون . مجلة Bell System Technical. 44 ، 369 (1965)
• H. Komizo، Y. Ito، H. Ashida، M. Shinoda: مضخم ثنائي IMPATT بقوة 0.5 وات لمعدات الراديو FM عالية السعة بتردد 11 جيجاهرتز . 14–20 (فبراير 1973). مجلة IEEE المجلد: 8. العدد: 1. ISSN 0018-9200
• دبليو تي ريد الابن، ثنائي مقترح عالي التردد، ذو مقاومة سلبية، مجلة بيل التقنية، 37 ، 401 (1958).
• SM Sze: Physics of Semiconductor Devices . الطبعة الثانية. John Wiley & Sons. 566–636 (1981). ISBN 0-471-05661-8 
• MS Tyagi : مقدمة إلى مواد وأجهزة أشباه الموصلات . John Wiley & Sons. 311–320 (1991). ISBN 0-471-60560-3