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雪崩二極管原理
雪崩二極管是利用半導體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。如果在二極管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，由于電場強度較低，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管產生微波振蕩的過程。
如果在二極管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。這是因為由于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。所以在電場大于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后交變電壓四分之一周期，或在相位上落后90°。載流子進入漂移區后開始了渡越過程。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。由于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，外電路感應電流并沒有達到最大值。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，然后開始下降。因此外電路感應電流比雪崩電流在時間上有所落后。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后四分之一周期，或相位上落后90°這樣，就可以看出外電路感應電流比交變電壓落后半個周期或180°。
對于一個電阻，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。對于雪崩二極管，外電路感應電流比交變電壓落后半個周期或180°，也就是說，電流和電壓的相位相反。這時的電流電壓關系正好與電阻中的電流電壓關系相反。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系而引進的一個概念，并非表示“負”的電阻。對于一個電阻，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回路作振蕩。利用雪崩二極管的負阻現象可以產生微波振蕩。
影響雪崩二極管響應速度的原因有哪些
在材料摻雜濃度較低的PN結中，當PN結反向電壓增加時，空間電荷區中的電場隨著增強。這樣，通過空間電荷區的電子和空穴，就會在電場作用下獲得的能量增大，在晶體中運動的電子和空穴將不斷地與晶體原子又發生碰撞，當電子和空穴的能量足夠大時，通過這樣的碰撞的可使共價鍵中的電子激發形成自由電子–空穴對。新產生的電子和空穴也向相反的方向運動，重新獲得能量，又可通過碰撞，再產生電子–空穴對，這就是載流子的倍增效應。當反向電壓增大到某一數值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發生雪崩一樣，載流子增加得多而快，這樣，反向電流劇增， PN結就發生雪崩擊穿。利用該特點可制作高反壓二極管。
雪崩二極管是一種負阻器件，特點是輸出功率大，但噪聲也很大。主要噪聲來自于雪崩噪聲，是由于雪崩倍增過程中產生電子和空穴和無規則性所引起的，其性質和散彈噪聲類似。雪崩噪聲是雪崩二極管振蕩器的噪聲遠高于其它振蕩器的主要原因。
載流子在耗盡層中獲得的雪崩增益越大，雪崩倍增過程所需的時間越長。因而，雪崩倍增過程要受到“增益-帶寬積”的限制。在高雪崩增益情況下，這種限制可能成為影響雪崩光電二極管響應速度的主要因素之一。但在適中的增益下，與其他影響光電二極管響應速度的因素相比，這種限制往往不起主要作用，因而雪崩光電二極管仍然能獲得很高的響應速度。現代雪崩光電二極管增益-帶寬積已達幾百吉赫。與一般的半導體光電二極管一樣，雪崩光電二極管的光譜靈敏范圍主要取決于半導體材料的禁帶寬度。
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