雪崩二极管原理

雪崩二极管是利用半导体PN结中的雪崩倍增效应及载流子的渡越时间效应产生微波振荡的半导体器件。如果在二极管两端加上足够大的反向电压，使得空间电荷区展宽，从N+P结处一直展宽到IP+结处。整个空间电荷区的电场在N+P处最大。假定在N+P结附近一个小区域内，电场强度超过了击穿电场，则在这个区域内就发生雪崩击穿。发生雪崩击穿的这一区域称为雪崩区。在雪崩区以外，由于电场强度较低，因而不发生雪崩击穿。载流子只在电场作用下以一定的速度作漂移运动。载流子作漂移运动的区域称为漂移区。载流子通过漂移区所需要的时间称作渡越时间。下面来分析一下雪崩二极管产生微波振荡的过程。

 

如果在二极管上所加的反向电压上迭加上一个交变电压。在交变电压正半周内，雪崩区中的电场大到足以发生碰撞电离而产生大量的电子一空穴对。其中电子很快被电场扫入N+区，而空穴则以一定速度进入漂移区。进入漂移区的雪崩电流变化情况。随着交变电压的增大，进入漂移区的雪崩电流将迅速增大。当交变电压从最大值逐步减小时，雪崩电流不但没有减小反而继续增大。而且可以看出，当交变电压减小到零时，雪崩电流达到最大值。这是因为由于雪崩现象所产生的电子和空穴，不仅与电场强度有关，而且还与发生碰撞的载流子数目有关。

 

因此，即使交变电压已从最大值开始下降，但在此以前已经产生了大量的电子和空穴，这些电子和空穴仍可以通过碰撞不断产生新的电子和空穴。所以在电场大于雪崩电场的整个期间内，电子和空穴的数目都将不断地增加。只有电场减少到雪崩电场以下，也就是交变电压进入负半周后，雪崩电流才开始减少。这样，雪崩产生的电流在时间上落后交变电压四分之一周期，或在相位上落后90°。载流子进入漂移区后开始了渡越过程。在渡越时间内，外电路中出现了电流。随着雪崩电流的增大，外电路感应电流不断增大。由于雪崩产生的空穴是以一定的速度通过漂移区的，雪崩电流达到最大值时，外电路感应电流并没有达到最大值。雪崩电流从最大值下降时，不断漂移过来的载流子使外电路感应电流继续增大。当雪崩电流下降到一定值时，外电路感应电流才达到极大值，然后开始下降。因此外电路感应电流比雪崩电流在时间上有所落后。可以利用适当的器件和电路设计，使外电路感应电流比雪崩电流落后四分之一周期，或相位上落后90°这样，就可以看出外电路感应电流比交变电压落后半个周期或180°。

 

对于一个电阻，如果在它的两端加上交变电压，则在电阻中就有交流电通过。交变电压和交流电是同相位的，即电压增大，电流同时增大；电压达到最大值时，电流也同时达到最大值由压为零时，电流同时为零。对于雪崩二极管，外电路感应电流比交变电压落后半个周期或180°，也就是说，电流和电压的相位相反。这时的电流电压关系正好与电阻中的电流电压关系相反。当加在元件或电路上的电压增加时，电流反而下降，这种现象就称为“负阻”。应该指出，“负阻”这个名词是为了说明在元件或电路中，电流和电压的特殊关系而引进的一个概念，并非表示“负”的电阻。对于一个电阻，电流流过电阻要消耗能量，而负阻则能补充能量，因此它能维持一个谐振回路作振荡。利用雪崩二极管的负阻现象可以产生微波振荡。

 

除了上面介绍的一种振荡模式外，还有其他多种模式产生振荡的雪崩二极管。雪崩二极管的特点是可以产生较大的微波功率，但它的噪声较大。雪崩二极管作为固体微波功率源目前已广泛应用于本振、参量放大器的泵源等电子设备中。