www.radartutorial.eu Grundlagen der Radartechnik

IMPATT- Diode

Kathode
Anode
Lavinen-
region
Driftregion
Dotierung
elektrisches
Feld

Bild 1: Querschnitt einer IMPATT Diode.
Die Elektronen/Elektronenloch- Paare entstehen am Ort mit der höchsten Feldstärke (der „Lavinen-region“). Die Elektronenlöcher bewegen sich zur Kathode, die Elektronen driften in Richtung Anode und erzeugen währen der Drift einen Ausgleichsstrom in der externen Schaltung.

Kathode
Anode
Lavinen-
region
Driftregion
Dotierung
elektrisches
Feld

Bild 1: Querschnitt einer IMPATT Diode.
Die Elektronen/Elektronenloch- Paare entstehen am Ort mit der höchsten Feldstärke (der „Lavinen-region“). Die Elektronenlöcher bewegen sich zur Kathode, die Elektronen driften in Richtung Anode und erzeugen währen der Drift einen Ausgleichsstrom in der externen Schaltung.

Die IMPATT-Diode (IMPact ionization Avalanche Transit-Time diode) ist ein zweipoliger Halbleiter mit einem negativen Innenwiderstand welcher mit einer Kombination aus Lawineneffekt und Laufzeiteffekten arbeitet. Sie besteht grundsätzlich aus einem einfachen pn-Übergang mit einer in Sperrrichtung geschalteten hohen Vorspannung für den Lawinendurchbruch. IMPATT-Dioden neigen in Verbindung mit den Leitungsinduktivitäten der Vorspannung zum Schwingen. Sie werden als Hochfrequenzquelle in Oszillatorschaltungen im Mikrowellenbereich genutzt und erzeugen eine relativ hohe HF-Leistung für im Mikrowellenbereich arbeitende Fernmeldesysteme sowie luft- und bodengestützte Radargeräte kleiner Leistung. Abhängig von der Bauart können IMPATT-Dioden im Frequenzbereich von wenigen Gigahertz bis hoch zu mehreren Hundert Gigahertz arbeiten. Als Halbleitermaterial wird vorzugsweise Siliziumkarbid verwendet.

Bild 1 zeigt den typischen Querschnitt einer IMPATT-Diode vom Read-Typ (Namensgebung nach dem Physiker William T. Read). Sie ist in Sperrrichtung geschaltet mit einer Vorspannung kurz unter der Durchbruchsspannung und die Regionen n und n- sind vollständig verarmt an freien Elektronen. Im unteren Diagramm ist das interne elektrische Feld in der Diode gezeigt. Aufgrund der unterschiedlichen Doping-Dichte zwischen Driftbereich und Lawinenzone erhält das Feld ein Maximum in der Lawinenzone und ist recht schwach im Driftbereich. Im Betrieb erfolgt ein Lawinendurchbruch stets an dem Punkt mit der größten Feldstärke. Hier werden eine große Anzahl von Ladungsträgern als Paare von Elektronen und „Elektronenlöchern“ freigesetzt. Die „Elektronenlöcher“ bewegen sich zur Kathode, die Elektronen bewegen sich durch die Driftzone zur Anode. Während dieses Elektronenflusses verändert sich die Anodenspannung durch die Einfluss der Elektronen und es fließen Ausgleichsströme durch die externe Beschaltung. Durch die Verzögerung durch Lawinendurchbruch und nachfolgender Laufzeit in der Driftzone entsteht in der Änderung der Anodenspannung eine Phasenverschiebung von 180°, die den Schwingvorgang verstärkt. Obwohl der Lawinendurchbruch impulsartig erfolgt, entsteht eine Schwingung mit annähernd sinusförmigen Verlauf.

Nachteil dieses Bauelementes ist der hohe Grad von Phasenrauschen in Generatoren mit IMPATT-Dioden, so dass die Anwendung oft auf CW- und FMCW-Radar beschränkt bleibt.