diodo IMPATT

Un diodo IMPATT ( diodo de tiempo de tránsito por avalancha de ionización por impacto ) es un tipo de diodo semiconductor de alta potencia utilizado en dispositivos electrónicos de microondas de alta frecuencia . Tienen resistencia negativa y se utilizan como osciladores y amplificadores en frecuencias de microondas. Operan a frecuencias de entre 3 y 100 GHz, o superiores. Su principal ventaja es su alta capacidad de potencia; un solo diodo IMPATT puede producir salidas de microondas continuas de hasta 3 kilovatios y salidas pulsadas de mucha mayor potencia. Estos diodos se utilizan en diversas aplicaciones, desde sistemas de radar de baja potencia hasta alarmas de proximidad. Una desventaja importante de los diodos IMPATT es el alto nivel de ruido de fase que generan. Esto se debe a la naturaleza estadística del proceso de avalancha . 

La familia de diodos IMPATT incluye diversas uniones y dispositivos semiconductores metálicos . La primera oscilación IMPATT se obtuvo a partir de un diodo de unión p-n de silicio simple, polarizado en ruptura por avalancha inversa y montado en una cavidad de microondas . Debido a la fuerte dependencia del coeficiente de ionización con el campo eléctrico , la mayoría de los pares electrón-hueco se generan en la región de campo alto. El electrón generado se desplaza inmediatamente hacia la región N, mientras que los huecos generados se desplazan a través de la región P. El tiempo que tarda el hueco en alcanzar el contacto constituye el retardo de tiempo de tránsito.

La propuesta original para un dispositivo de microondas del tipo IMPATT fue realizada por Read. El diodo Read consta de dos regiones: (1) la región de avalancha (una región con dopaje y campo relativamente altos) donde ocurre la multiplicación por avalancha, y (2) la región de deriva (una región con dopaje esencialmente intrínseco y campo constante) donde los huecos generados se desplazan hacia el contacto. Se puede construir un dispositivo similar con la configuración en la que los electrones generados por la multiplicación por avalancha se desplazan a través de la región intrínseca.

Un diodo IMPATT generalmente se monta en un encapsulado para microondas. El diodo se monta con su región de bajo campo cerca de un disipador de calor de silicio para que el calor generado en la unión del diodo se disipe fácilmente. Se utilizan encapsulados similares para otros dispositivos de microondas.

El diodo IMPATT opera en una banda de frecuencia estrecha, y sus dimensiones internas deben corresponderse con la frecuencia de operación deseada. Un oscilador IMPATT se puede sintonizar ajustando la frecuencia de resonancia del circuito acoplado y también variando la corriente en el diodo; esto se puede utilizar para la modulación de frecuencia .

Si un electrón libre con suficiente energía impacta un átomo de silicio, puede romper el enlace covalente y liberar un electrón. Si este electrón liberado adquiere energía al encontrarse en un campo eléctrico y libera otros electrones de otros enlaces covalentes, este proceso puede desencadenar rápidamente una reacción en cadena, generando una gran cantidad de electrones y una intensa corriente eléctrica. Este fenómeno se conoce como ruptura por avalancha.

En el momento de la ruptura, la región n– se perfora y forma la región de avalancha del diodo. La región de alta resistividad es la zona de deriva a través de la cual los electrones generados por la avalancha se mueven hacia el ánodo .

Consideremos una polarización de CC V _B , ligeramente inferior a la necesaria para provocar la ruptura, aplicada al diodo. Superpongamos una tensión de CA de magnitud suficientemente grande a la polarización de CC, de modo que durante el ciclo positivo de la tensión de CA, el diodo entre en la ruptura por avalancha. En t=0, la tensión de CA es cero y solo fluye una pequeña corriente previa a la ruptura a través del diodo. A medida que t aumenta, la tensión supera la tensión de ruptura y se producen pares electrón-hueco secundarios por ionización por impacto. Mientras el campo en la región de avalancha se mantenga por encima del campo de ruptura, la concentración de pares electrón-hueco crece exponencialmente con t. De forma similar, esta concentración decae exponencialmente con el tiempo cuando el campo se reduce por debajo de la tensión de ruptura durante el ciclo negativo de la tensión de CA. Los huecos generados en la región de avalancha desaparecen en la región p+ y son recogidos por el cátodo. Los electrones se inyectan en la zona i–, donde se desplazan hacia la región n+. Entonces, el campo en la región de avalancha alcanza su valor máximo y la población de pares electrón-hueco comienza a aumentar. En este momento, los coeficientes de ionización alcanzan sus valores máximos. La concentración de electrones generada no sigue el campo eléctrico instantáneamente, ya que también depende del número de pares electrón-hueco ya presentes en la región de avalancha. Por lo tanto, la concentración de electrones en este punto tendrá un valor pequeño. Incluso después de que el campo haya superado su valor máximo, la concentración de pares electrón-hueco continúa creciendo porque la tasa de generación de portadores secundarios aún se mantiene por encima de su valor promedio. Por esta razón, la concentración de electrones en la región de avalancha alcanza su valor máximo cuando el campo ha descendido a su valor promedio. Así, queda claro que la región de avalancha introduce un desfase de 90° entre la señal de CA y la concentración de electrones en esta región.

Con un aumento adicional de t, la tensión alterna se vuelve negativa y el campo en la región de avalancha cae por debajo de su valor crítico. Los electrones en la región de avalancha se inyectan entonces en la zona de deriva, lo que induce una corriente en el circuito externo con una fase opuesta a la de la tensión alterna. Por lo tanto, el campo de corriente alterna absorbe energía de los electrones en deriva a medida que estos se desaceleran por la disminución del campo. Es evidente que se logra un desfase ideal entre la corriente del diodo y la señal de corriente alterna si el espesor de la zona de deriva es tal que el haz de electrones se recoge en el ánodo n ⁺ – en el momento en que la tensión alterna se anula. Esta condición se logra haciendo que la longitud de la región de deriva sea igual a la longitud de onda de la señal. Esta situación produce un desfase adicional de 90° entre la tensión alterna y la corriente del diodo.

En 1956, WT Read y Ralph L. Johnston, de los Laboratorios Bell Telephone, propusieron que un diodo de avalancha con un retardo de tiempo de tránsito significativo podría presentar una resistencia negativa . Este efecto pronto se demostró en diodos de silicio convencionales y, a finales de la década de 1960, ya se fabricaban osciladores a 340  GHz. Los diodos IMPATT de silicio pueden generar hasta 3 kilovatios de potencia de forma continua, con mayor potencia disponible en pulsos. ^{[ 1 ]}

Un dispositivo oscilador de microondas con una estructura similar al diodo IMPATT es el diodo TRAPATT, que significa "tránsito activado por avalancha de plasma atrapado". Este modo de operación produce una potencia y eficiencia relativamente altas, pero a una frecuencia menor que un dispositivo que opera en modo IMPATT. ^{[ 2 ]}

• diodo BARITT
• diodo Gunn
• diodo túnel

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