Diodo Impatt (ALM1011)

As características e "avalanche" de determinados tipos de junção apresentando uma característica de resistência negativa tornam-nas ideais para a produção de sinais de frequências muito altas, na faixa de microondas como, por exemplo, as que são típicas dos diodos Tunnel e Gunn.

Um componente desta família muito importante ‚ o diodo Impatt, cujo nome vem de Impact Avalanche Transit Time.

Este componente pode ser usado para produzir sinais na faixa de 3 a 100 GHz com potências de saída que ficam normalmente entre 0,1 e 1 W, o que é mais do que os outros componentes da mesma família já citados.

A ideia básica do diodo Impatt é de W. Schockley dos laboratórios da Bell Telephone e vem de 1954.

Inicialmente Schockley propôs o uso de uma junção PN no seu dispositivo mas posteriormente para se obter um componente prático a idéia teve de ser aperfeiçoada por W. T. Read em 1958 que passou ao uso de uma junção completa do tipo P+/N/I/N+.

No entanto, um dispositivo prático só apareceu pela primeira vez em 1965 utilizando além da estrutura proposta por Read diversas outras.

 

ESTRUTURA

Na figura 1 temos a estrutura básica de um Diodo Impatt lembrando que nos dispositivos práticos podem ocorrer muitas variações.

 

Estrutura básica do diodo Impatt
Estrutura básica do diodo Impatt

 

 

No fundo podemos dizer que se trata de uma junção PN mas um pouco mais sofisticada pelas regiões intermediárias o que não nos deixa entretanto de poder classificar o dispositivo como um diodo.

O símbolo + empregado na figura significa que se trata de uma região semicondutora que tem um grau de dopagem um pouco maior que as regiões normais.

Vemos então que, graças a estas regiões existe um campo elétrico um pouco mais intenso na região N de modo a confinar o fenômeno da avalanche numa região menor do componente.

A região marcada com I indica um semicondutor intrínseco que possui uma baixa densidade de cargas. Este setor do componente funciona praticamente como um isolante até o momento em que portadores de carga são injetados vindos de outras regiões.

O diodo proposto por Read a partir da forma básica é mostrado na figura 2.

 

Estrutura de um diodo Impatt na prática.
Estrutura de um diodo Impatt na prática.

 

As dimensões muito pequenas dessa estrutura permitem que ela opere em frequências tão altas como 100 GHz.

 

FUNCIONAMENTO

O funcionamento básico do componente ocorre em duas áreas básicas.

A primeira é a região de avalanche ou injeção onde os portadores de corrente (elétrons ou lacunas) são gerados. A segunda é a região de impulso através da qual os portadores de carga passam levando um certo tempo.

Este tempo de trânsito é fundamental para o funcionamento do dispositivo já que levam o circuito a uma espécie de ressonância gerando o sinal na frequência desejada.

Na operação normal o diodo Impatt é polarizado no sentido inverso de tal forma a atingir a tensão de ruptura inversa da junção PN.

O campo elétrico na função PNPO produzido por regiões P e N altamente dopadas é muito forte.

Isso significa que a tensão aparece numa região bastante estreita o que faz com que os portadores sejam acelerados muita intensidade.

Quando estes portadores colidem com a estrutura cristalina do material eles liberam mais portadores de carga que também são acelerados e que por sua vez também colidem com  tomos da estrutura cristalina liberando mais portadores num efeito em avalanche.

O resultado final da aplicação da tensão mínima de ruptura com a liberação de uma certa quantidade de portadores de carga ‚ a diminuição da resistência do componente. Temos então uma região de resistência negativa fundamental para que ocorra a oscilação.

Lembramos que na região de resistência negativa um aumento da tensão provoca uma redução da corrente.

Veja, entretanto que no diodo Impatt este efeito não ocorre com a corrente que polariza o componente diretamente mas sim sobre a tensão alternada que ‚ gerada pelas diferenças de fase que ocorrem com o movimento dos portadores de carga em ondas dentro do próprio componente.

Isso significa que, quando um sinal AC ‚ aplicado a este componente os picos de corrente ficam 180 graus defasados dos picos de tensão.

Esta defasagem é resultante de dois atrasos que ocorrem no componente: o primeiro decorrente da injeção de cargas e o outro decorrente do tempo de trânsito.

Na figura 3 vemos o que ocorre com os sinais no diodo Impatt em vista do que falamos.

 

 

 

 

Quando a tensão aumenta a ponto de ocorrer a ruptura inversa da junção a produção de portadores de cara não ocorre imediatamente, mas é retardada. Isso ocorre porque essa produção de portadores não depende apenas do campo elétrico presente mas também do número de portadores que j  estejam presentes.

Depois que o campo elétrico passa do valor de pico o número de portadores continua a crescer alcançando um máximo 90 graus depois do pico de tensão de entrada.

Quando o campo torna-se negativo o processo de geração de portadores para e a corrente começa a cair.

No entanto, logo após sua criação os portadores de carga começam a atravessar a região N+ estabelecendo assim a corrente externa.

Veja pelos gráficos que, enquanto a corrente demora um tempo curto para fluir pela região de aceleração a tensão se mantém por mais tempo.

Veja que esta defasagem faz com que ao se aplicar uma tensão ao componente a corrente ficar fora de fase. Assim, se a tensão correta for aplicada ao componente ele entra em oscilação podendo gerar sinais de frequências muito altas.

 

OUTROS TIPOS

Um componente derivado do diodo Impatt e com nome parecido é o Trapatt. O nome deste componente vem de Trapped Plasma Avalanche-Triggered Transit e consiste num diodo oscilador de microondas.

O Trappat ‚ formado por um diodo semicondutor numa cavidade coaxial ressonante. Quando devidamente polarizado ondas de alta frequência são emitidas dentro da cavidade.

Com a reflexão estas ondas realimentam o processo de emissão levando o dispositivo a oscilação.

 

USOS

A possibilidade de se usar este componente para gerar sinais na faixa de microondas de 3 a 100 GHz com muita facilidade sem a necessidade de muitos componentes o torna ideal para aplicações em alarmes, radares, equipamentos de telecomunicações que operem nesta faixa de frequências.

Para polarizar o diodo Impatt no ponto de funcionamento normalmente são exigidas tensões na faixa de 75 a 150 volts.

Um ponto importante que deve ser levado na sua aplicação é o elevado nível de ruído que aparece junto ao sinal devido ao processo de avalanche que ocorre no componente.

 


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