Un diodo IMPATT (diodo de tiempo de tránsito de avalancha de ionización por impacto) es un tipo de diodo semiconductor de alta potencia que se utiliza 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 aproximadamente 3 y 100 GHz, o superiores. La principal ventaja es su capacidad de alta potencia; los diodos IMPATT individuales pueden producir salidas de microondas continuas de hasta 3 kilovatios y salidas pulsadas de mucha mayor potencia. Estos diodos se utilizan en una variedad de 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 resulta de la naturaleza estadística del proceso de avalancha .
La familia de diodos IMPATT incluye muchas uniones diferentes y dispositivos semiconductores de metal . La primera oscilación IMPATT se obtuvo a partir de un diodo de unión p-n de silicio simple polarizado en una ruptura de avalancha inversa y montado en una cavidad de microondas. Debido a la fuerte dependencia del coeficiente de ionización en el campo eléctrico, la mayoría de los pares electrón-hueco se generan en la región de alto campo. El electrón generado se mueve inmediatamente a la región N, mientras que los huecos generados se desplazan a través de la región P. El tiempo requerido para que el hueco alcance el contacto constituye el retraso del tiempo de tránsito.
La propuesta original de 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 relativamente alto y campo alto) en la que se produce la multiplicación por avalancha y (2) la región de deriva (una región con dopaje esencialmente intrínseco y campo constante) en la que los huecos generados se desplazan hacia el contacto. Se puede construir un dispositivo similar con la configuración en la que los electrones generados a partir de la multiplicación por avalancha se desplazan a través de la región intrínseca.
Un diodo IMPATT generalmente se monta en un encapsulado de microondas. El diodo se monta con su región de campo bajo cerca de un disipador de calor de silicio para que el calor generado en la unión del diodo se pueda disipar fácilmente. Se utilizan encapsulados de microondas similares para alojar otros dispositivos de microondas.
El diodo IMPATT opera en una banda de frecuencia estrecha y las dimensiones internas del diodo deben estar en correlación con la frecuencia de funcionamiento 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 choca con un átomo de silicio, puede romper el enlace covalente del silicio y liberar un electrón del enlace covalente. Si el electrón liberado gana energía al estar en un campo eléctrico y libera otros electrones de otros enlaces covalentes, este proceso puede desencadenarse muy rápidamente en una reacción en cadena, produciendo una gran cantidad de electrones y un gran flujo de corriente. Este fenómeno se denomina ruptura por avalancha.
En caso de 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 , justo por debajo de la requerida para causar la ruptura, aplicada al diodo. Dejemos que un voltaje de CA de magnitud suficientemente grande se superponga a la polarización de CC, de modo que durante el ciclo positivo del voltaje de CA, el diodo se lleve profundamente a la ruptura de avalancha. En t = 0, el voltaje de CA es cero, y solo una pequeña corriente de pre-ruptura fluye a través del diodo. A medida que t aumenta, el voltaje supera el voltaje de ruptura y se producen pares de electrones-huecos secundarios por ionización por impacto. Mientras el campo en la región de avalancha se mantenga por encima del campo de ruptura, la concentración de electrones-huecos crece exponencialmente con t. De manera similar, esta concentración decae exponencialmente con el tiempo cuando el campo se reduce por debajo del voltaje de ruptura durante la oscilación negativa del voltaje de CA. Los huecos generados en la región de avalancha desaparecen en la región p+ y son recolectados por el cátodo. Los electrones se inyectan en la zona i – donde se desplazan hacia la región n+. En ese momento, el campo en la región de avalancha alcanza su valor máximo y la población de pares electrón-hueco comienza a acumularse. En ese momento, los coeficientes de ionización tienen sus valores máximos. La concentración de electrones generada no sigue al campo eléctrico instantáneamente porque también depende del número de pares electrón-hueco que ya están 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 electrones-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 caído a su valor promedio. Por lo tanto, está 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, el voltaje de CA se vuelve negativo 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 que tiene una fase opuesta a la del voltaje de CA. El campo de CA, por lo tanto, absorbe energía de los electrones que se desplazan a medida que son desacelerados por el campo decreciente. Está claro que se logra un desfase ideal entre la corriente del diodo y la señal de CA 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 el voltaje de CA llega a cero. 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 el voltaje de CA y la corriente del diodo.
En 1956, WT Read y Ralph L. Johnston de Bell Telephone Laboratories propusieron que un diodo de avalancha que exhibiera un retraso significativo en el tiempo de tránsito podría exhibir una característica de resistencia negativa . El efecto pronto se demostró en diodos de silicio comunes y a fines de la década de 1960 se habían producido osciladores a 340 GHz. Los diodos IMPATT de silicio pueden producir hasta 3 kilovatios de potencia de manera 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 disparado por avalancha de plasma atrapado". Este modo de funcionamiento produce una potencia y una eficiencia relativamente altas, pero a una frecuencia más baja que un dispositivo que funciona en modo IMPATT. [2]