¿Cómo Funciona Un Diodo IMPATT?

La estructura de un diodo IMPATT es muy similar a la de un diodo estándar Schottky o PIN, pero cuando se observa cómo funciona un diodo IMPATT, se puede ver que es muy diferente.

El diodo IMPATT de microondas utiliza la descomposición de avalanchas combinada con el tiempo de tránsito del portador de carga para crear una región de resistencia negativa que le permite actuar como un oscilador.

Como la naturaleza de la ruptura de avalanchas es muy ruidosa, y las señales creadas por un diodo IMPATT tienen altos niveles de ruido de fase.

Diodo IMPATT: Fundamentos, Funcionamiento Desarrollo Y Descubrimiento.

Fundamentos de la teoría del diodo IMPATT

El diodo IMPATT tiene una característica I-V muy similar a cualquier otra forma de diodo de unión PN. Conduce en dirección hacia adelante una vez que se ha alcanzado el voltaje de encendido. En la dirección inversa bloquea el flujo de corriente, hasta que se alcanza el voltaje de ruptura del diodo. En este punto se produce la ruptura de la avalancha y la corriente fluye en la dirección inversa.

Fundamentos de la teoría del diodo IMPATT

Para su funcionamiento como generador de señales de microondas, el diodo IMPATT funciona en condiciones de polarización inversa. Éstas se ajustan de manera que se produzca la ruptura de avalancha.

La ruptura se produce en la región muy cercana a la P+ (es decir, la región P fuertemente dopada). El campo eléctrico en la unión PN es muy alto porque el voltaje aparece a través de una brecha muy estrecha creando un gradiente de alto potencial. En estas circunstancias, cualquier portador se acelera muy rápidamente.

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Como resultado, colisionan con la red cristalina y liberan otras portadoras. Estos portadores recién liberados se aceleran de manera similar y colisionan con la red cristalina liberando más portadores.

Este proceso da lugar a lo que se denomina desglose de avalancha, ya que el número de portadores se multiplica muy rápidamente. Para este tipo de desglose sólo se produce cuando se aplica un cierto voltaje a la unión. Por debajo de esto el potencial no acelera suficientemente los portadores.

En cuanto a su funcionamiento, se puede considerar que el diodo IMPATT consta de dos zonas, a saber, la región de avalancha o región de inyección, y en segundo lugar la región de deriva.

Estas dos zonas cumplen funciones diferentes. La región de avalancha o de inyección crea los portadores que pueden ser o bien agujeros de electrones, y la región de deriva es donde los portadores se mueven a través del diodo tomando una cierta cantidad de tiempo dependiendo de su grosor.

Fundamentos de la teoría del diodo IMPATT

Funcionamiento del diodo IMPATT

Una vez que se han generado los portadores, el dispositivo depende de la resistencia negativa para generar y mantener una oscilación. El efecto no se produce en el dispositivo en la CC, sino que aquí es un efecto de CA que se produce por las diferencias de fase que se ven en la frecuencia de funcionamiento.

Cuando se aplica una señal de CA los picos de corriente se encuentran 180 fuera de fase con el voltaje. Esto es el resultado de dos retrasos que se producen en el dispositivo: el retraso de la inyección, y un retraso del tiempo de tránsito a medida que los portadores de corriente migran o se desplazan a través del dispositivo.

Funcionamiento del diodo IMPATT

El voltaje aplicado al diodo IMPATT tiene un valor medio cuando está al borde de la ruptura por avalancha. El voltaje varía como una onda sinusoidal, pero la generación de portadores no ocurre al unísono con las variaciones de voltaje.

Se podría esperar que ocurriera en el pico de voltaje. Esto se debe a que la generación de portadores no sólo es una función del campo eléctrico, sino también del número de portadores que ya existen.

A medida que el campo eléctrico aumenta, también lo hace el número de portadores. Entonces, incluso después de que el campo haya alcanzado su pico, el número de portadores sigue creciendo como resultado del número de portadores ya existentes.

Esto continúa hasta que el campo cae por debajo de un valor crítico cuando el número de portadores comienza a disminuir. Como resultado de este efecto hay un desfase de fase, de modo que la corriente se encuentra unos 90 por detrás del voltaje. Esto se conoce como el retardo de la fase de inyección.

Cuando los electrones se mueven a través de la región N+ se ve una corriente externa, y esto ocurre en picos, lo que resulta en una forma de onda repetitiva.

Circuitos de diodos IMPATT

Los diodos IMPATT se utilizan generalmente en frecuencias superiores a unos 3 GHz o más. Se ha comprobado que cuando se aplica un circuito sintonizado junto con un voltaje alrededor del voltaje de ruptura al IMPATT, se producirá una oscilación.

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En comparación con otros dispositivos que utilizan resistencia negativa y están disponibles para funcionar a estas frecuencias, el IMPATT es capaz de producir niveles de potencia mucho más altos. Normalmente se pueden obtener cifras de diez o más vatios, dependiendo del dispositivo.

Circuitos de diodos IMPATT

El diodo IMPATT se impulsa desde una fuente de alimentación a través de una resistencia limitadora de corriente. El valor de ésta limita la corriente al valor requerido. La corriente se pasa a través de una reactancia de RF para aislar la CC de la señal de radiofrecuencia.

El diodo IMPATT de microondas se coloca a través del circuito sintonizado. Normalmente el diodo puede montarse en una cavidad de guía de ondas que proporciona el circuito sintonizado necesario. Una vez aplicado el voltaje de alimentación, el circuito oscilará.

Uno de los principales inconvenientes del diodo IMPATT en su funcionamiento es la generación de altos niveles de ruido de fase como resultado del mecanismo de ruptura de avalanchas. Se ha comprobado que los dispositivos basados en la tecnología del Arseniuro de Galio son mucho mejores que los que utilizan Silicio. Esto se debe a los coeficientes de ionización mucho más cercanos para los agujeros y los electrones.

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