Diodo de Avalancha

Rivas Reyes, CarlaTello Pereira, J. Alberto

MicroondasProf.; Juan Álvarez Montoya

Un diodo avalancha, es un diodo semiconductor diseñado especialmente para trabajar en tensión inversa. El diodo Zener está también diseñado para trabajar en inversa, aunque el mecanismo de ruptura es diferente.

La presencia de portadores minoritarios causa una pequeña fuga de corriente que permanece constante para todos los voltajes inversos hasta cierto valor.Una vez que excede este valor, se origina un repentino incremento en la corriente inversa.En la ruptura, la corriente inversa aumenta muy rápido con un ligero incremento del voltaje inverso.

Cualquier diodo puede ser sometido a un voltaje inverso hasta llegar al punto de ruptura pero no todo diodo puede disipar la potencia asociada a la ruptura sin peligro.

Hay dos distintas teorías para explicar el comportamiento de la unión PN durante la ruptura:

Efecto Zener.Efecto de Avalancha.

Efecto de tunelización

Protección:La aplicación típica de estos diodos es la protección de circuitos electrónicos contra sobretensiones. El diodo se conecta en inversa a tierra, de modo que mientras la tensión se mantenga por debajo de la tensión de ruptura sólo será atravesado por la corriente inversa de saturación, muy pequeña, por lo que la interferencia con el resto del circuito será mínima; a efectos prácticos, es como si el diodo no existiera. Al incrementarse la tensión del circuito por encima del valor de ruptura, el diodo comienza a conducir desviando el exceso de corriente a tierra evitando daños en los componentes del circuito.

Fuentes de ruido de RF:Los diodos avalancha generan ruido de radio frecuencia; son comúnmente utilizados como fuentes de ruido en equipos de radio frecuencia. También son usados como fuentes de ruido en los analizadores de antena y como generadores de ruido blanco.

Generación de frecuencias de microondas:Los diodos de avalancha pueden actuar como dispositivos de resistencia negativa cuando son colocados dentro de un circuito resonante. El diodo IMPATT es un diodo optimizado por generación de frecuencia.

Diodo IMPATT¿Qué es un diodo IMPATT? IMPATT es un acrónimo de IMPact ionization Avalanche Transit-Time .

El diodo IMPATT es un dispositivo de microondas de conductancia negativa, la cual se presenta cuando la juntura pn está en la condición de ruptura de avalancha.

Introducción Cuando un diodo de juntura pn esta inversamente

polarizado, no circula corriente por éste. Sin embargo, cuando el voltaje inverso excede cierto valor,

la juntura se rompe y la corriente empieza a fluir con sólo un pequeño incremento del voltaje. Esta ruptura es generada por la multiplicación de avalancha de huecos y electrones en el espacio de la región de carga de la juntura.

La juntura pn en la condición de ruptura de avalancha exhibe características de resistencia negativa en el rango de frecuencia de microondas.

Estructura del dispositivo El dispositivo es una estructura de tipo n+-p-i-p+, el cual

esencialmente consiste de dos regiones:i) La región n+-p o La región de avalancha: (una región con dopaje

relativamente alto así como un alto campo) en el cual ocurre la multiplicación de avalancha.

ii) La región i o La región de deriva: (Una región con dopaje esencialmente intrínseco así como un campo constante) en el cual los huecos generados se derivan hacia el contacto.

n+ p i p++ -

LE(x)

Deriva de h+

Principio de Operación El dispositivo opera en un modo de conductancia negativa,

esto es, cuando la componente de corriente AC es negativa sobre una porción de ciclo donde el voltaje AC es positivo y viceversa. La conductancia negativa ocurre debido a dos procesos los cuales hacen que la corriente se atrase con respecto al voltaje en el tiempo.

Un retraso debido al proceso de avalancha Y un retraso adicional debido al tiempo de tránsito de los

portadores a lo largo de la región de deriva.

Principio de Operación|N

D-N

A| 1020

1016

1012 x

E

x

realideal

Región de Deriva

K A

~V(t)

p+ n+in

Región deAvalancha I(t)

V(t)=VDC+vAC(t)E(t)=EDC+ EAC(t)EDCEb

E(t) EAC(T/4)

x

Eb

n(x,t)T=0

E(t)

x

Eb

EAC(T/2)=0

n(x,t)T=T/4

E(t)

x

Eb

EAC(3T/4)n(x,t)

T=T/2

E(t)

x

Eb

EAC(T)=0

n(x,t)T=3T/4

T=T/4

Modelo en pequeña señal

Drift region

K Ap+ n+n-n

Región de avalancha

I(t)

xA ω

CA=sS/xALa corriente en la región de avalancha se retrasa /2 -inductancia

rAC

rAC>0 < A

rAC<0 > A

Frecuencia de ResosnanciaTípicamente f=vs/2W

Clasificación: La estructura de estos dispositivos está basada en el perfil de dopaje.

Los tres tipos de diodos IMPATT son:1) Diodo de región de deriva única (SDR): Los diodos SDR (SDR por su

nombre en inglés) consisten en diodos con una única región de avalancha y una única zona de deriva con una estructura p+nn+.

2) Diodo de doble región de deriva (DDR): Los diodos DDR (DDR por su nombre en inglés) tienen un a estructura p+pnn+ los cuales consisten en dos zonas de deriva, unos para electrones y otro para huecos en ambos lados de la zona de avalancha central.

3) Diodos de doble región de avalancha (DAR): Los diodos DAR (DAR por su nombre en inglés) poseen un estructura p+nipn+, el cual consiste en una zona de deriva rodeada de dos zonas de avalancha. Los electrones y huecos de las dos junturas viajan a través de la región intrínseca central en direcciones opuestas llevando potencia.

Aplicaciones Estos diodos hacen excelentes osciladores de

microondas para muchas aplicaciones como: a) Amplificadores paramétricos b) Convertidores de transmisión paramétricos

(parametric up converters) c) Convertidores de recepción paramétricos

(parametric down converters) d) Amplificadores paramétricos de resistencia

negativa

Resumen Un IMPATT opera en la región de ruptura inversa

(Avalancha). Un voltaje aplicado genera una ruptura

momentánea, una ver cada ciclo. Esto hace que empiece un pulso de corriente

moviéndose a través del dispositivo. La frecuencia depende de la densidad del

dispositivo.

Resumen Los dispositivos IMPATT pueden ser usados por

osciladores y en aplicaciones con amplificadores. Ellos pueden ser fabricados con Si, GaAs, InP, SiC. Pueden ser usados hasta los 400Ghz. Son osciladores que generan ruido (noisy

oscillators) En general los diodos IMPATT tienen 10dB mas de

ruido que los diodos Gunn. Los IMPATT no son adecuados como osciladores

locales en un receptor.

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