雪崩渡越時(shí)間二極管振蕩器是什么?

雪崩二極管，亦稱為“碰撞雪崩渡越時(shí)間二極管”。是一種在外加電壓作用下可以產(chǎn)生超高頻振蕩的半導(dǎo)體二極管。1958年由美國W.T.里德提出，所以又稱里德二極管。這類二極管有各種結(jié)構(gòu)：里德結(jié)構(gòu)(即P NIN )、肖特基結(jié)構(gòu)(M-N-N )高-低-高結(jié)構(gòu)(H-L-H)、雙漂移結(jié)構(gòu)（DDR或P PNN ）等。所用材料主要有硅和砷化鎵。除了PN結(jié)雪崩渡越二極管外，由于其工作機(jī)理的差別，還有俘獲等離子體雪崩觸發(fā)渡越時(shí)間二極管，金屬-半導(dǎo)體-金屬勢壘渡越二極管，隧道雪崩渡越二極管等。

雪崩二極管的工作原理是：利用p－n結(jié)的雪崩擊穿在半導(dǎo)體中注入載流子，這些載流子渡越過晶片流向外電路。由于這一渡越需要一定的時(shí)間，因而使電流相對于電壓出現(xiàn)一個(gè)時(shí)間延遲，適當(dāng)控制渡越時(shí)間，在電流和電壓的關(guān)系上會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，因而能夠產(chǎn)生振蕩。

雪崩二極管具有功率大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。雪崩渡越二極管及其功率源可達(dá)到極高的工作頻率，從幾百兆赫至300吉赫都可以獲得一定的微波功率。特別在毫米波波段，它是現(xiàn)代功率最大的固體器件，可連續(xù)波工作或脈沖工作，廣泛地使用于雷達(dá)、通信、遙控、遙測、儀器儀表中。。其缺點(diǎn)是噪聲比電子轉(zhuǎn)移器件稍高。用雪崩渡越二極管制成的雪崩振蕩器和鎖定放大器用于微波通信、雷達(dá)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。

微波振蕩器是在通信、雷達(dá)、電子對抗及測試儀器等各種微波系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用的重要部件之一。近年來，隨著微波半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，微波固態(tài)振蕩器也得到迅速發(fā)展。

目前已有晶體管振蕩器（包括雙極晶體管振蕩器和場效應(yīng)管振蕩器）、轉(zhuǎn)移電子振蕩器（體效應(yīng)振蕩器）、雪崩二極管振蕩器和隧道二極管振蕩器等多種形式。其中隧道二極管振蕩器因輸出功率小、穩(wěn)定性差幾乎被淘汰。體效應(yīng)振蕩器和雪崩二極管振蕩器發(fā)展極為迅速。如雪崩二極管振蕩器振蕩頻率可高達(dá)幾百吉赫以上；輸出功率最大可達(dá)幾十瓦以上；脈沖峰值功率，如限累二極管振蕩器可高達(dá)幾千瓦；微波三極管振蕩器的效率最高，可達(dá)50%。各種微波固態(tài)振蕩器各有不同的特點(diǎn)，可根據(jù)要求來選用。在毫米波頻段，廣泛采用雪崩管振蕩器和耿氏管振蕩器，與耿氏管相比雪崩管可獲得更大的功率和更高的效率。

雪崩二極管的雪崩倍增效應(yīng)和渡越時(shí)間效應(yīng)使得它具有負(fù)阻特性，其小信號阻抗ZD為：

式中RD、XD為雪崩管電阻和電抗；

Cd、θ為漂移區(qū)電容和渡越角；

La、Ca是雪崩區(qū)電感和電容；

ωa是雪崩頻率。

為了產(chǎn)生振蕩，二極管的小信號電阻必須為負(fù)，而且其絕對值應(yīng)大于負(fù)載電阻。當(dāng)工作頻率ω給定時(shí)，這一條件可以通過調(diào)節(jié)偏流密度從而改變雪崩頻率來滿足。隨著振蕩幅度I的增加，由于空間電荷對電場的影響，二極管阻抗發(fā)生變化，它是振幅和頻率的函數(shù)，但由于它通常是頻率的慢變化函數(shù)，所以在振蕩器工作頻率范圍內(nèi)，可不考慮頻率的影響。當(dāng)器件阻抗與電路阻抗?jié)M足以下條件，振蕩器處于穩(wěn)定振蕩狀態(tài)。

式中Z(ω)為電路阻抗；

ZD(I)為雪崩管阻抗；

如果由于外界改變使振蕩器的電抗發(fā)生變化，為了滿足相位平衡，在諧振條件下，由外界因素引起的電抗的變化應(yīng)該由頻率變化所產(chǎn)生的電抗變化來補(bǔ)償，假定外界的變化為Δα，則

式中R、X為電路電阻和電抗；

Q為回路有載品質(zhì)因數(shù)。?

由此可見，回路電抗隨外界因素變化率越大，頻率穩(wěn)定度越差；回路的有載品質(zhì)因數(shù)越高，則頻率穩(wěn)定度越高。

一般來說，雪崩管振蕩器的缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度較差。