雪崩二極體的介紹

雪崩二極體的介紹

雪崩二極體是利用半導體PN結中的雪崩倍增效應及載流子的渡越時間效應產生微波振蕩的半導體器件。如果在二極體兩端加上足夠大的反向電壓，使得空間電荷區展寬，從N+P結處一直展寬到IP+結處。整個空間電荷區的電場在N+P處最大。假定在N+P結附近一個小區域內，電場強度超過了擊穿電場，則在這個區域內就發生雪崩擊穿。發生雪崩擊穿的這一區域稱為雪崩區。在雪崩區以外，由於電場強度較低，因而不發生雪崩擊穿。載流子只在電場作用下以一定的速度作漂移運動。載流子作漂移運動的區域稱為漂移區。載流子通過漂移區所需要的時間稱作渡越時間。下面來分析一下雪崩二極體產生微波振蕩的過程。

如果在二極體上所加的反向電壓上迭加上一個交變電壓。在交變電壓正半周內，雪崩區中的電場大到足以發生碰撞電離而產生大量的電子一空穴對。其中電子很快被電場掃入N+區，而空穴則以一定速度進入漂移區。進入漂移區的雪崩電流變化情況。隨著交變電壓的增大，進入漂移區的雪崩電流將迅速增大。當交變電壓從最大值逐步減小時，雪崩電流不但沒有減小反而繼續增大。而且可以看出，當交變電壓減小到零時，雪崩電流達到最大值。這是因為由於雪崩現象所產生的電子和空穴，不僅與電場強度有關，而且還與發生碰撞的載流子數目有關。

因此，即使交變電壓已從最大值開始下降，但在此以前已經產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生新的電子和空穴。所以在電場大於雪崩電場的整個期間內，電子和空穴的數目都將不斷地增加。只有電場減少到雪崩電場以下，也就是交變電壓進入負半周后，雪崩電流才開始減少。這樣，雪崩產生的電流在時間上落後交變電壓四分之一周期，或在相位上落後90°。載流子進入漂移區後開始了渡越過程。在渡越時間內，外電路中出現了電流。隨著雪崩電流的增大，外電路感應電流不斷增大。由於雪崩產生的空穴是以一定的速度通過漂移區的，雪崩電流達到最大值時，外電路感應電流並沒有達到最大值。雪崩電流從最大值下降時，不斷漂移過來的載流子使外電路感應電流繼續增大。當雪崩電流下降到一定值時，外電路感應電流才達到極大值，然後開始下降。因此外電路感應電流比雪崩電流在時間上有所落後。可以利用適當的器件和電路設計，使外電路感應電流比雪崩電流落後四分之一周期，或相位上落後90°這樣，就可以看出外電路感應電流比交變電壓落後半個周期或180°。

對於一個電阻，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，電流同時增大；電壓達到最大值時，電流也同時達到最大值由壓為零時，電流同時為零。對於雪崩二極體，外電路感應電流比交變電壓落後半個周期或180°，也就是說，電流和電壓的相位相反。這時的電流電壓關係正好與電阻中的電流電壓關係相反。當加在元件或電路上的電壓增加時，電流反而下降，這種現象就稱為「負阻」。應該指出，「負阻」這個名詞是為了說明在元件或電路中，電流和電壓的特殊關係而引進的一個概念，並非表示「負」的電阻。對於一個電阻，電流流過電阻要消耗能量，而負阻則能補充能量，因此它能維持一個諧振迴路作振蕩。利用雪崩二極體的負阻現象可以產生微波振蕩。

除了上面介紹的一種振蕩模式外，還有其他多種模式產生振蕩的雪崩二極體。雪崩二極體的特點是可以產生較大的微波功率，但它的噪聲較大。雪崩二極體作為固體微波功率源目前已廣泛應用於本振、參量放大器的泵源等電子設備中。