IMPATT-Diode

Die Bezeichnung IMPATT-Diode leitet sich ab vom englischen Begriff Impact Ionization Avalanche Transit Time Diode und wird im Deutschen auch Lawinen-Laufzeit-Diode (LLD) genannt. Diese Diode ist Bestandteil der Hochfrequenz-Halbleiter-Bauelemente der Mikroelektronik. Die Hauptvertreter der IMPATT-Dioden-Familie sind die Read-Diode, der einseitig abrupte p-n-Übergang, die doppseitige Doppeldriftdiode, hi-lo- und lo-hi-lo-Dioden und die p-i-n-Diode. Weitere Laufzeitdioden sind die BARITT-Diode, die DOVETT-Diode und die TRAPATT-Diode.

Die IMPATT-Diode ist eine der leistungsfähigsten Halbleiterquellen der Mikrowellengeneration bis zu 100 GHz und damit eine der leistungsfähigsten Quellen für Mikrowellenenergie in der Festkörperphysik. Genutzt wird sie in Mikroelektronischen Schaltungen, bei denen hochfrequente Energiequellen gebraucht werden. Das sind unter anderem Anwendungen in der Nachrichtentechnik, beispielsweise für Sender in der Millimeterwellenkommunikation wie zum Beispiel Radar für den zivilen Luft- und Bodengebrauch oder zur Steuerung von Raketen im militärischen Bereich und ähnliche Anwendungen. Vorteile der IMPATT-Dioden sind, dass sie günstig in der Herstellung sind, einen geringen Stromverbrauch haben, zuverlässig arbeiten, durchgehend hohe Wellenenergie liefern und wenig wiegen. Nachteilig ist das hohe Rauschen, die Empfindlichkeit des Elements unter Arbeitsbedingungen und die hohen Reaktanzen. Die Reaktanzen sind stark abhängig von der Oszillationsamplitude und müssen daher im Schaltungsentwurf mit sehr viel Bedacht berücksichtigt werden, damit es nicht zu Verstimmungen oder gar zum Durchbrennen der Diode kommt.

IMPATT-Dioden entstehen durch den Einsatz von Stoßionisations- und Transitzeiteigenschaften der Elektronen in Halbleiterstrukturen zur Herstellung eines dynamischen, effektiven negativen differentiellen Widerstandes bei Mikrowellenfrequenzen. Oft wird dieser Widerstand auch mit dem angelsächsischen Wort negative dynamic resistance oder der entsprechenden Abkürzung NDR bezeichnet. Ein negativer Widerstand bedeutet im allgemeinen eine Energiequelle in Form einer Strom- beziehunsweise Spannungsquelle. Der negative Widerstand kommt durch zwei Verzögerungszeiten zu Stande, welche wiederum eine zeitliche Verzögerung des Hochfrequenz-Stromes gegenüber der Hochfrequenz-Spannung verursachen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer negativen Phasenverschiebung zwischen dem Hochfrequenz-Strom und der Hochfrequenz-Spannung. Die eine Verzögerungszeit entsteht durch die vom Lawineneffekt verursachte "Lawinendurchbruchs-Zeit", die zweite Verschiebung kommt durch Laufzeitverzögerungen durch die Diode in der n⁺pip⁺-Struktur beziehungswiese p⁺nin⁺-Struktur in der "drift"-Region zu Stande. Wenn die beiden Verzögerungszeiten zusammen eine halbe Periode ergeben, entsteht ein negativer elektrischer Widerstand bei der entsprechenden Frequenz.

Datei:IMPATT-Diode00.png

Schematischer Querschnitt einer Read-Diode, Dotierprofil und Elektrisches Feld (der idialisierte Verlauf ist durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet)

Geschichte

Die erste experimentelle Beobachtung einer IMPATT-Oszillation durch Johnston, deLoach und Cohen erfolgte im Jahre 1965. Es handelte sich dabei um eine in Sperrpolung im Lawinendurchbruchbereich und Mikrowellenbereich betriebene Silizium-Diode.

Der Pysiker William B. Shockley fasste diesen negativen Widerstand aufgrund seiner strukturellen Einfachheit bereits 1954 ins Auge. Der große Vorteil ist, dass es sich, im Gegensatz zu Transistoren, welche über drei Anschlüsse verfügen, um ein Bauteil mit zwei Anschlüssen handelt. Im Jahre 1958 brachte Read den Vorschlag ein, eine Hochfrequenzhalbleiterdiode zu entwickeln, die aus einer Lawinenzone an einem Ende und einer Driftzone mit einem verhältnismäßig hohen Widerstand bestehen sollte. Die Driftzone dient als Transitzeitbereich für die generierten Ladungsträger. C. A. Lee, R. L. Batdorf, W. Wiegman und G. Kaminsky waren die Ersten, die diese Oszillation dokumentierten. Misawa, Gilden und Hines entwickelten hierzu die Kleinsignaltheorie, welche untermauert, dass ein negativer Widerstand mit IMPATT-Eigenschaften von Diodensperrschichten oder Halbleiter-Metall Kontakten unabhängig vom Dotierprofil zu erhalten ist.

Stationärer Fall

Betrachtet werden im folgenden Text die Feldverteiulung, die Durchbruchspannung und Raumladungseffekte unter stationären Bedingungen. Im ersten Bild oben ist das Dotierprofil und die Feldverteilung einer idealisierten Read-Diode zu sehen. Das Ionisationsintegral ist gegeben durch:

$\langle \alpha \rangle \equiv \alpha _{n}\cdot \exp \left[-\int _{x}^{W}(\alpha _{n}-\alpha _{p})\;dx'\right]$

hierin sind α_n und α_p die jeweiligen Ionisationsraten der Eleptronen und Löcher. Und W ist die Verarmungszonebreite. (Bild wird nachgeliefert!)

Die Lawinendurchbruchbedingung ist gegeben durch:

$\int _{0}^{W}\langle \alpha \rangle \;dx=1$

Aufgrund der starken Abhängigkeit der Alphas vom elektrischen Feld kann man feststellen, dass die Lawinenregion stark lokal beschränkt ist. Das heißt, dass der Multiplikationsprozess auf eine sehr schmale Region nahe der höchsten elektischen Feldstärke beschränkt ist.

$\langle \alpha \rangle =\alpha _{n}=\alpha _{p}$

Durchbruchspannung

$U_{B}={\frac {1}{2}}\cdot {\vec {E}}_{max}\cdot W={\frac {\varepsilon _{r}\cdot {\vec {E}}_{max}^{2}}{q\cdot N_{B}}}$ $U_{B}=\left({\vec {E}}_{max}-{\frac {q\cdot N_{1}\cdot b}{2\cdot \varepsilon _{r}}}\right)\cdot b-{\frac {1}{2}}\cdot \left({\vec {E}}_{max}-{\frac {q\cdot N_{1}\cdot b}{\varepsilon _{r}}}\right)\cdot (W-b)$ $W={\frac {\varepsilon _{r}\cdot {\vec {E}}_{max}}{q\cdot N_{2}}}-b\cdot \left({\frac {N_{1}}{N_{2}}}-1\right)$ $U_{B}={\vec {E}}_{max}\cdot b+{\frac {1}{2}}\cdot \left({\vec {E}}_{max}-{\frac {q\cdot Q}{\varepsilon _{r}}}\right)\cdot (W-b)$ $W={\frac {\varepsilon _{r}}{q\cdot N_{2}}}\cdot \left({\vec {E}}_{max}-{\frac {q\cdot Q}{\varepsilon _{r}}}\right)+b$

Dynamischer Fall

Kleinsignalanalyse

Datei:IMPATT-Diode01.png

Wellenformen der Spannung, der injizierten Ladung und des induzierten Stromes einer Read-Diode

Literatur

• R. L. Jonston, B. C. DeLoach, Jr., and B.G. Cohen: A Silicon Diode Oscillator. Bell Systems Technical Journal. 44, 369 (1965)
• S. M. Sze: Physics o Semiconductor Devices. second edition. John Wiley & Sons. 566-636 (1981). ISBN 0-471-05661-8
• M. S. Tyagi: Introduction to Semiconductor Materials and Devices. John Wiley & Sons. 311-320 (1991). ISBN 0-471-60560-3
• H. Komizo Y. Ito, H. Ashida, M. Shinoda: A 0.5-W CW IMPATT diode amplifier for high-capacity 11-GHz FM radio-relay equipment. 14-20 (Feb 1973). IEEE Journal Volume: 8. Issue: 1. ISSN 0018-9200
• M.-S. Gupta: Large-Signal Equivalent Circuit for IMPATT-Diode Characterization and Its Application to Amplifiers. 689-694 (Nov 1973). Microwave Theory and Techniques. IEEE Transactions Volume: 21. Issue: 11. ISSN 0018-9480

Weblinks

• britneyspears.ac "Britney's Guide to Semiconductor Physics" Grundlagen der Halbleiterphysik
• www.ecn.purdue.edu "IMPATT Diode Microwave Oscillators"