雪崩二極管原理

雪崩二極管是利用半導(dǎo)體pn結(jié)中的雪崩倍增效應(yīng)及載流子的渡越時(shí)間效應(yīng)產(chǎn)生微波振蕩的半導(dǎo)體器件。如果在二極管兩端加上足夠大的反向電壓，使得空間電荷區(qū)展寬，從n+p結(jié)處一直展寬到ip+結(jié)處。整個(gè)空間電荷區(qū)的電場在n+p處最大。假定在n+p結(jié)附近一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，電場強(qiáng)度超過了擊穿電場，則在這個(gè)區(qū)域內(nèi)就發(fā)生雪崩擊穿。發(fā)生雪崩擊穿的這一區(qū)域稱為雪崩區(qū)。在雪崩區(qū)以外，由于電場強(qiáng)度較低，因而不發(fā)生雪崩擊穿。載流子只在電場作用下以一定的速度作漂移運(yùn)動(dòng)。載流子作漂移運(yùn)動(dòng)的區(qū)域稱為漂移區(qū)。載流子通過漂移區(qū)所需要的時(shí)間稱作渡越時(shí)間。下面來分析一下雪崩二極管產(chǎn)生微波振蕩的過程。

如果在二極管上所加的反向電壓上迭加上一個(gè)交變電壓。在交變電壓正半周內(nèi)，雪崩區(qū)中的電場大到足以發(fā)生碰撞電離而產(chǎn)生大量的電子一空穴對(duì)。其中電子很快被電場掃入n+區(qū)，而空穴則以一定速度進(jìn)入漂移區(qū)。進(jìn)入漂移區(qū)的雪崩電流變化情況。隨著交變電壓的增大，進(jìn)入漂移區(qū)的雪崩電流將迅速增大。當(dāng)交變電壓從最大值逐步減小時(shí)，雪崩電流不但沒有減小反而繼續(xù)增大。而且可以看出，當(dāng)交變電壓減小到零時(shí)，雪崩電流達(dá)到最大值。這是因?yàn)橛捎谘┍垃F(xiàn)象所產(chǎn)生的電子和空穴，不僅與電場強(qiáng)度有關(guān)，而且還與發(fā)生碰撞的載流子數(shù)目有關(guān)。

因此，即使交變電壓已從最大值開始下降，但在此以前已經(jīng)產(chǎn)生了大量的電子和空穴，這些電子和空穴仍可以通過碰撞不斷產(chǎn)生新的電子和空穴。所以在電場大于雪崩電場的整個(gè)期間內(nèi)，電子和空穴的數(shù)目都將不斷地增加。只有電場減少到雪崩電場以下，也就是交變電壓進(jìn)入負(fù)半周后，雪崩電流才開始減少。這樣，雪崩產(chǎn)生的電流在時(shí)間上落后交變電壓四分之一周期，或在相位上落后90°。載流子進(jìn)入漂移區(qū)后開始了渡越過程。在渡越時(shí)間內(nèi)，外電路中出現(xiàn)了電流。隨著雪崩電流的增大，外電路感應(yīng)電流不斷增大。由于雪崩產(chǎn)生的空穴是以一定的速度通過漂移區(qū)的，雪崩電流達(dá)到最大值時(shí)，外電路感應(yīng)電流并沒有達(dá)到最大值。雪崩電流從最大值下降時(shí)，不斷漂移過來的載流子使外電路感應(yīng)電流繼續(xù)增大。當(dāng)雪崩電流下降到一定值時(shí)，外電路感應(yīng)電流才達(dá)到極大值，然后開始下降。因此外電路感應(yīng)電流比雪崩電流在時(shí)間上有所落后�？梢岳眠m當(dāng)?shù)钠骷碗娐吩O(shè)計(jì)，使外電路感應(yīng)電流比雪崩電流落后四分之一周期，或相位上落后90°這樣，就可以看出外電路感應(yīng)電流比交變電壓落后半個(gè)周期或180°。

對(duì)于一個(gè)電阻，如果在它的兩端加上交變電壓，則在電阻中就有交流電通過。交變電壓和交流電是同相位的，即電壓增大，電流同時(shí)增大；電壓達(dá)到最大值時(shí)，電流也同時(shí)達(dá)到最大值由壓為零時(shí)，電流同時(shí)為零。對(duì)于雪崩二極管，外電路感應(yīng)電流比交變電壓落后半個(gè)周期或180°，也就是說，電流和電壓的相位相反。這時(shí)的電流電壓關(guān)系正好與電阻中的電流電壓關(guān)系相反。當(dāng)加在元件或電路上的電壓增加時(shí)，電流反而下降，這種現(xiàn)象就稱為“負(fù)阻”。應(yīng)該指出，“負(fù)阻”這個(gè)名詞是為了說明在元件或電路中，電流和電壓的特殊關(guān)系而引進(jìn)的一個(gè)概念，并非表示“負(fù)”的電阻。對(duì)于一個(gè)電阻，電流流過電阻要消耗能量，而負(fù)阻則能補(bǔ)充能量，因此它能維持一個(gè)諧振回路作振蕩。利用雪崩二極管的負(fù)阻現(xiàn)象可以產(chǎn)生微波振蕩。

除了上面介紹的一種振蕩模式外，還有其他多種模式產(chǎn)生振蕩的雪崩二極管。雪崩二極管的特點(diǎn)是可以產(chǎn)生較大的微波功率，但它的噪聲較大。雪崩二極管作為固體微波功率源目前已廣泛應(yīng)用于本振、參量放大器的泵源等電子設(shè)備中。

雪崩二極管作用

雪崩二極管是一種負(fù)阻器件，特點(diǎn)是輸出功率大，但噪聲也很大。主要噪聲來自于雪崩噪聲，是由于雪崩倍增過程中產(chǎn)生電子和空穴和無規(guī)則性所引起的，其性質(zhì)和散彈噪聲類似。

雪崩擊穿是在電場作用下，載流子能量增大，不斷與晶體原子相碰，使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的載流子又通過碰撞產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)，這就是倍增效應(yīng)。1生2，2生4，像雪崩一樣增加載流子。

它是在外加電壓作用下可以產(chǎn)生高頻振蕩的晶體管。產(chǎn)生高頻振蕩的工作原理是：利用雪崩擊穿對(duì)晶體注入載流子，因載流子渡越晶片需要一定的時(shí)間，所以其電流滯后于電壓，出現(xiàn)延遲時(shí)間，若適當(dāng)?shù)乜刂贫稍綍r(shí)間，那么，在電流和電壓關(guān)系上就會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，從而產(chǎn)生高頻振蕩。它常被應(yīng)用于微波領(lǐng)域的振蕩電路中。