mini|Schematischer Querschnitt einer Read-Diode, Dotierprofil und Elektrisches Feld (der idealisierte Verlauf ist durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet) Die IMPATT-Diode ist eine spezielle Diode zur Erzeugung von Hochfrequenz. Der Name leitet sich von der englischen Bezeichnung ab, im Deutschen wird sie Lawinen-Laufzeit-Diode (LLD) genannt.
Die Hauptvertreter der IMPATT-Dioden-Familie sind die Read-Diode, der einseitig abrupte p-n-Übergang, die doppelseitige Doppeldriftdiode, hi-lo- und lo-hi-lo-Dioden und die pin-Diode. Weitere LaufzeitdiodenVgl. Klaus Heime: Laufzeit-Dioden, Impatt- und Baritt-Dioden. R.Oldenburg-Verlag, München/Wien 1976. sind die BARITT-Diode, die DOVETT-Diode und die TRAPATT-Diode.
Die IMPATT-Diode ist eine der leistungsfähigsten Halbleitergeneratoren bis zu 300 GHz und damit eine wichtige Quelle für Mikrowellen derart hoher Frequenz beziehungsweise Millimeterwellen. Sie erreicht über 10-fach höhere Leistungen als die Gunndiode im Frequenzbereich 10–150 GHz.
Genutzt wird sie in elektronischen Schaltungen, in denen hochfrequente Oszillatoren gebraucht werden. Das sind unter anderem Sender in der Millimeterwellenkommunikation, 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 eine höhere Effizienz (12–20 % im Bereich von 5–10 GHz) als Gunndioden und Reflexklystrons haben, langlebig sind und gegenüber Gunndioden hohe HF-Leistungen (z. B. bei 9,5 GHz 3,5 W kontinuierlich und 15 W gepulst) erzeugen können.
Nachteilig ist das hohe Phasenrauschen und die hohen Reaktanzen. Die Reaktanzen sind stark abhängig von der Oszillationsamplitude und müssen daher im Schaltungsentwurf berücksichtigt werden, damit es nicht zu Verstimmungen oder gar zur Zerstörung der Diode kommt.
Funktionsprinzip
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 englischsprachigen Begriff oder der entsprechenden Abkürzung NDR bezeichnet. Ein negativer Widerstand bedeutet im Allgemeinen eine Energiequelle in Form einer Strom- beziehungsweise Spannungsquelle. Der negative Widerstand kommt durch zwei Verzögerungszeiten zustande, 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 Lawinen-Durchbruch verursachte „Lawinendurchbruch-Zeit“, die zweite Verschiebung kommt durch Laufzeitverzögerungen durch die Diode in der n+pip+-Struktur beziehungsweise p+nin+-Struktur in der Drift-Region zustande. Wenn die beiden Verzögerungszeiten zusammen eine halbe Periode ergeben, entsteht ein negativer elektrischer Widerstand bei der entsprechenden Frequenz.
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 Physiker 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 mini|Dotierprofil, Elektrisches Feld und Ionisationsintegrand einer abrupten p+n-Diode, Einfachdriftdiode (links) und einer symmetrischen doppelseitig abrupten p+-p-n-n+-Diode, Doppeldriftdiode (recht)
Betrachtet werden im folgenden Text die Feldverteilung, die Durchbruchspannung und Raumladungseffekte unter stationären Bedingungen. Im ersten Bild oben ist das Dotierprofil und die Feldverteilung einer idealisierten Read-Diode zu sehen. Der Ionisationsintegrand ist gegeben durch:
hierin sind αn und αp die jeweiligen Ionisationsraten der Elektronen und Löcher. Und W ist die Verarmungszonenbreite. Zwischen befindet sich die Driftzone.
Die Lawinendurchbruchbedingung ist gegeben durch:
Aufgrund der starken Abhängigkeit der Alphas vom elektrischen Feld kann man feststellen, dass die Lawinenzone stark lokal beschränkt ist. Das heißt, dass der Multiplikationsprozess in einer sehr schmalen Zone nahe der höchsten elektrischen Feldstärke zwischen 0 und xA erfolgt.
Sonderfälle der Read-Diode sind der einseitig abrupte p+-n-Übergang und die p-i-n-Diode auch bekannt als Misawa-Diode. Eine weitere Ausführungsform ist der doppelseitig abrupte p+-p-n-n+ Übergang. Die Lawinenzone befindet sich bei Silizium in der Nähe des Verarmungszonenzentrums. Denn αn und αp sind bei Silizium sehr unterschiedlich. Bei GaP sind die Alphas fast gleich und man kann folgende Vereinfachung treffen
deswegen ist die Lawinenzone fast symmetrisch zum Verarmungszonenzentrum.
Durchbruchspannung
Die allgemeinen Methoden zur Ermittlung der Durchbruchspannung bei abrupten Übergängen lässt sich auch für symmetrische doppelseitig abrupte Übergang wie beispielsweise p+-p-n-n+-Übergänge anwenden. Sie errechnet sich zu
In dieser Gleichung ist das maximale Feld an der Stelle x=0. Dabei ist x je nach Material von der Symmetrieebene aufgrund der unterschiedlichen Alphas verschoben. Das maximale Feld an der Stelle x=0 kann, sobald die Dotierung bekannt ist, aus einem Diagramm abgelesen werden. Danach lässt sich die Durchbruchspannung mit Hilfe der oben genannten Gleichung berechnen. Die Sperrspannung bei Durchbruch ist UB-Ue. In dieser Gleichung ist Ue die Diffusionsspannung (eingebaute Spannung des p-n-Übergangs), welche durch 2⋅(k⋅T/q)⋅ln(NB/ni) gegeben ist. Für symmetrische abrupte Übergänge ist die Diffusionsspannung in der Praxis vernachlässigbar.
Für die Read-Diode und für die hi-lo-Diode ist die Durchbruchspannung und Verarmungszonenbreite gegeben durch folgende Gleichungen
Die Epitaxieschicht ist bei der Read-Diode ausschlaggebend für die Breite der Verarmungszone. Zur Berechnung können wieder dieselben Tabellen für das maximale Feld herangezogen werden wie für den abrupten p-n-Übergang. Vorausgesetzt, die n- beziehungsweise p-Region ist gegeben, treffen diese Werte fast vollständig (mit einer Abweichung von etwa einem Prozent) ebenso auf die Read-Diode und hi-lo-Diode zu. Allerdings unter der Einschränkung, dass xA kleiner als b ist.
Die Durchbruchspannung einer lo-hi-lo-Diode mit einem sehr smallen Q „Klump“ ist gegeben durch
In dieser Gleichung ist Q die Anzahl der Verunreinigungen pro Quadratzentimeter im „Klump“. Das maximale Feld kann aus dem feldabhängigen Ionisationskoeffizienten berechnet werden.
Regionen
Die Lawinenzone einer idealen p-i-n-Diode erstreckt sich über die gesamte intrinsische Schicht. Allerdings ist diese Region für die Read-Diode und die p-n-Übergänge auf eine sehr schmale Region in der Nähe des metallurgischen Übergangs begrenzt. Eine gute Näherung für xA kann mit Hilfe der Lawinendurchbruchbedingung gewonnen werden. Mit zunehmendem Abstand von x vom metallurgischen Übergang sinkt der Beitrag zum Integral, so dass man bei 95 % von einem sinnvollen Beitrag ausgehen kann. Für die Read-Diode errechnet sich xA aus
Analog dazu für die hi-lo-Diode, den einseitig abrupten Übergang und die doppelseitige Übergänge (für den Fall, dass sie bei Durchbruchsspannung betrieben werden) wird folgende Gleichung verwendet
Effekte
Bei Betriebsbedingungen müssen die hohen Stromdichten während des Lawinendurchbruches, welche eine beachtliche Temperaturerhöhung am Übergang und Raumladungsträgereffekte verursachen, berücksichtigt werden.
Die Ionisationsraten von Elektronen und Löchern nehmen mit zunehmender Temperatur ab. Folglich nimmt die Durchbruchspannung mit zunehmenden Temperaturen zu. Sobald die Gleichstromleistung (das Produkt aus Rückwärtsspannung und Rückwärtsstrom) zunimmt, steigen sowohl die Temperatur am Übergang als auch die Durchbruchsspannung. Um zu vermeiden, dass es zum Totalausfall des Bauelements durch extremen Hitzeanstieg an räumlich stark begrenzten Stellen kommt, müssen IMPATT-Dioden über eine geeignete Wärmeabführung verfügen.
Raumladungsträgereffekte sind Folge der Ladungsträgererzeugung, die Schwankungen des elektrischen Feldes in der Verarmungszone verursachen. Dadurch kommt es zur Änderung des differentiellen Gleichstromwiderstandes. Für abrupte Übergänge steigt dieser an, und für p-i-n-Dioden nimmt er ab.
Dynamischer Fall
Im Folgenden wird die Injektionsphase und die Transitzeit eines idealen Bauteils betrachtet. Das soll heißen, dass der Strom an der Stelle mit einer Phase von φ injiziert wird und dass sich die injizierten Ladungsträger mit einer Sättigungsgeschwindigkeit von in der Driftregion bewegen. Der Betrag der Leitungswechselstromdichte an der Stelle ist gleich der gesamten Wechselstromdichte mit Phasenverschiebung.
Der gesamte Wechselstrom in der Driftregion setzt sich aus der Summe von Leitungsstrom und Verschiebungsstrom zusammen. Hierin ist das komplexe Wechselfeld.
Das komplexe Wechselfeld erhält man aus den beiden obigen Gleichungen.
Durch Integration erhält man die Impedanz Z.
In dieser Gleichung ist die Kapazität pro Fläche . Und ist der Transitwinkel und errechnet sich zu . Für den Real- und der Imaginärteil erhalten wir aus obiger Gleichung folgende Ausdrücke
Kleinsignalanalyse mini|Kleinsignalersatzschaltbild einer Read-Diode
Die ersten Betrachtungen zur Kleinsignalanalyse wurden von William T. Read aufgestellt.vgl. M. Gilden und M. F. Hines entwickelten diese Theorien weiter. Folgende Vereinfachungen wurden dabei getroffen: und die Sättigungsgeschwindigkeiten von Elektronen und Löchern sind gleich.
Laut Literatur ist die Stromdichte beim Lawinendurchbruch und ist die gesamte Wechselstromdichte. Die Stromdichte beim Lawinendurchbruch ist dabei die Wechselstromdichte der Teilchen in der Lawinenregion. Unter Annahme einer dünnen Lawinenregion kommt es zu keinen Verzögerungszeiten der Stromdichte bis zum Eintritt in die Driftregion. Mit der zweiten Annahme, bei der sich die Stromdichte beim Lawinendurchbruch als ungedämpfte Welle ausbreitet (bei der sich nur die Phase ändert), berechnet sich die Driftgeschwindigkeit mit zu
Großsignalanalyse mini|Wellenformen der Spannung, der injizierten Ladung und des induzierten Stromes einer Read-Diode Das Bild zeigt eine Read-Diode im Großsignal-Arbeitsbereich.
Herstellung Für die Herstellung von IMPATT-Dioden-Kristallen dient die Epitaxie, die Diffusion und die Ionenimplantation. Dabei kommen auch Kombinationen dieser Verfahren vor. Entscheidend ist, dass die Abfolge und Höhe der Dotierungen mit hoher Genauigkeit erfolgt.
Häufig wird die Molekularstrahlepitaxie (MBE) verwendet. Bei der MBE kann die Dicke der Dotierung und der Schicht in fast atomischen Maßstäben bestimmt werden. Sie wird besonders für Millimeterwellen-Dioden eingesetzt. Es handelt sich dabei nicht nur um das genaueste, sondern auch das teuerste Verfahren.