在雪崩中，电压和电流之间的延迟以及通过材料的渡越时间的过程被称为负电阻。使二极管具有这种特性的器件称为雪崩渡越时间器件。

属于此类的器件示例为IMPATT，TRAPATT和BARITT二极管。让我们详细了解它们中的每一个。

IMPATT二极管

这是一种高功率半导体二极管，用于高频微波应用。完整的IMPATT是IMPACT电离雪崩渡越时间二极管。

当施加到IMPATT二极管时，电压梯度会导致高电流。普通的二极管最终将由此击穿。但是，开发了IMPATT二极管可以承受所有这些挑战。施加高电位梯度以使二极管反向偏置，因此少数载流子流过结。

如果施加RF AC电压(如果叠加在高DC电压上)，则空穴和电子的速度增加，通过碰撞电离将其从晶体结构中冲出，从而导致其他空穴和电子。如果最初施加的直流电场处于发展这种情况的阈值，那么它将导致雪崩电流倍增，并且该过程将继续。下图可以理解这一点。

由于这种影响，电流脉冲会发生90°的相移。但是，由于施加了反向偏压，它不在那里，而是向阴极移动。脉冲到达阴极所需的时间取决于n +层的厚度，将其调整为使其相移90°。现在，已证明存在动态RF负电阻。因此，IMPATT二极管既充当振荡器又充当放大器。

下图显示了IMPATT二极管的结构细节。

IMPATT二极管的效率表示为

$$ \ eta = \ left [\ frac {P_ {ac}} {P_ {dc}} \ right] = \ frac {V_a} {V_d} \ left [\ frac {I_a} {I_d} \ right] $$

哪里，

• $ P_ {ac} $ =交流电源

• $ P_ {dc} $ =直流电源

• $ V_a \：\＆\：I_a $ =交流电压和电流

• $ V_d \：\＆\：I_d $ =直流电压和电流

缺点

以下是IMPATT二极管的缺点。

• 因为雪崩是一个嘈杂的过程，所以很吵
• 调谐范围不如Gunn二极管

应用领域

以下是IMPATT二极管的应用。

• 微波振荡器
• 微波发生器
• 调制输出振荡器
• 接收器本地振荡器
• 负电阻放大
• 入侵警报网络(高Q IMPATT)
• 警用雷达(高Q IMPATT)
• 低功率微波发射器(高Q IMPATT)
• FM电信发射器(低Q IMPATT)
• 连续多普勒雷达发射机(低Q IMPATT)

TRAPATT二极管

TRAPATT二极管的完整形式是TRApped等离子雪崩触发瞬态二极管。微波发生器，工作频率在数百MHz至GHz之间。这些是高峰值功率二极管，通常具有n型耗尽区的n +-p-p +或p + -n-n +结构，宽度从2.5到1.25 µm不等。下图描述了这一点。

捕获在该区域后面的低场区域中的电子和空穴被填充到二极管中的耗尽区。这是通过传播通过二极管的高场雪崩区域来完成的。

下图显示了一个曲线图，其中AB显示电荷，BC显示等离子体形成，DE显示等离子体提取，EF显示残留提取，FG显示充电。

让我们看看在每个点上会发生什么。

答：A点的电压不足以引起雪崩击穿。在A处，由于发热而产生的电荷载流子会像线性电容一样对二极管进行充电。

AB：此时，电场强度增加。当产生足够数量的载流子时，整个耗尽区的电场都会降低，从而使电压从B降低到C。

C：这种电荷有助于雪崩继续，并形成密集的电子和空穴等离子体。进一步降低电场，以免电子或空穴脱离耗尽层，并俘获剩余的等离子体。

D：电压在D点下降。与外部电流中每单位时间的电荷相比，由于总的等离子体电荷较大，因此清除等离子体所需的时间较长。

E：在E点，除去等离子体。空穴和电子的残余电荷各自保留在偏转层的一端。

E到F：随着残留电荷的去除，电压升高。

F：在F点，所有内部产生的电荷都将被清除。

F到G：二极管像电容器一样充电。

G：在点G，二极管电流在半个周期内变为零。电压保持恒定，如上图所示。这种状态一直持续到电流恢复导通并且循环重复。

雪崩区速度$ V_s $表示为

$$ V_s = \ frac {dx} {dt} = \ frac {J} {qN_A} $$

哪里

• $ J $ =电流密度

• $ q $ =电子电荷1.6 x 10 ^-19

• $ N_A $ =掺杂浓度

雪崩区将迅速扫过大部分二极管，载流子的渡越时间表示为

$$ \ tau_s = \ frac {L} {V_s} $$

哪里

• $ V_s $ =饱和载流子漂移速度

• $ L $ =样本长度

此处计算的渡越时间是进样与收集之间的时间。重复的动作增加了输出，使其成为放大器，而与电路并联连接的微波低通滤波器可使它用作振荡器。

应用领域

该二极管有许多应用。

• 低功率多普勒雷达
• 雷达本地振荡器
• 微波信标着陆系统
• 无线电高度仪
• 相控阵雷达等

BARITT二极管

BARITT二极管的完整形式是Barrier Injection Transit Time二极管。这些是该家族中的最新发明。尽管这些二极管像IMPATT二极管一样具有较长的漂移区，但是BARITT二极管中的载流子注入是由正向偏置结引起的，而不是像雪崩区一样来自雪崩区的等离子体。

在IMPATT二极管中，由于碰撞电离，载流子注入非常嘈杂。在BARITT二极管中，为避免噪声，通过耗尽区的穿通来提供载流子注入。 BARITT二极管中的负电阻是由于注入的空穴向由p型材料制成的二极管的集电极端的漂移而获得的。

下图显示了BARITT二极管的结构细节。

对于mnm BARITT二极管， Ps-Si肖特基势垒与金属之间夹有n型Si晶片。电流随施加电压(高于30v)而快速增加是由于将热电子空穴注入到半导体中。

临界电压$(Vc)$取决于掺杂常数$(N)$，半导体长度(L)$和半导体介电常数$(εS)$，表示为

$$ V_c = \ frac {qNL ^ 2} {2 \ epsilon S} $$

单片微波集成电路(MMIC)

微波IC重量轻，体积小，高度可靠且可复制，是传统波导或同轴电路的最佳替代产品。用于单片微波集成电路的基本材料是-

• 基材材质
• 导体材料
• 介电膜
• 电阻膜

选择它们以具有理想的特性和高效率。在其上制造电路元件的基板很重要，因为该材料的介电常数应很高，而损耗因数应低，以及其他理想特性。所用的基材材料为GaAs，铁氧体/石榴石，铝，铍，玻璃和金红石。

如此选择导体材料以具有高导电性，低电阻温度系数，对衬底的良好粘附性和蚀刻等。铝，铜，金和银主要用作导体材料。如此选择介电材料和电阻材料以具有低损耗和良好的稳定性。

制造技术

在混合集成电路中，半导体器件和无源电路元件形成在介电衬底上。无源电路是分布式或集总元件，或两者的组合。

混合集成电路有两种类型。

• 混合IC
• 微型混合IC

在上述两个过程中，混合IC使用的是使用单层金属化技术在IC上制造的分布式电路元件，而微型混合IC使用的是多层元件。

大多数模拟电路使用介观隔离技术来隔离用于FET和二极管的有源n型区域。平面电路是通过将离子注入到半绝缘基板中来制造的，并且为了提供隔离，这些区域被掩盖了。

在GaAs FET中，使用“过孔”技术将源极与接地的源极电极相连，如下图所示。

MMIC有许多应用。

• 军事通讯
• 雷达
• ECM
• 相控阵天线系统
• 扩频和TDMA系统

它们具有成本效益，还用于许多家庭消费类应用中，例如DTH，电信和仪器仪表等。