6.11: Diodos y Fuentes de Vacío

Existen muchos tipos de fuentes basadas en propiedades especiales de diodos o de dispositivos de vacío. En esta sección se describen algunas de estas fuentes. Si bien se prefieren las fuentes basadas en circuitos de transistores para su integración y fabricación, las fuentes de diodos y de vacío se utilizan ampliamente debido a la alta potencia que se puede generar de manera eficiente o porque operan a altas frecuencias más allá del alcance de los circuitos de transistores.

6.11.1 Fuentes de semiconductores de dos terminales

Las fuentes semiconductoras de dos terminales se basan en explotar la resistencia negativa presentada en los terminales de varios tipos de dispositivos [37, 38, 39, 40]. O explotan una resistencia negativa dinámica creada en una región de campo alto de un semiconductor debido a un desequilibrio de carga, o explotan el tiempo finito para que las portadoras crucen una región semiconductora y produzcan así una corriente de RF que está desfasada con la tensión aplicada, presentando así una RF negativa resistencia. Tres dispositivos representativos son el diodo túnel, el diodo IMPATT y el diodo Gunn.

Diodo de túnel

Un diodo túnel es un diodo de\(\text{pn}\) unión en el que los estados de la banda de conducción en el lado n están llenos de electrones y estos se alinean con estados de banda de cenital vacíos (es decir, agujeros) en el\(\text{p}\) lado [37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46]. Esto da como resultado una barrera de\(\text{pn}\) unión muy estrecha. Para tensiones negativas y tensiones aplicadas pequeñas y grandes, el diodo actúa como un diodo de unión pn convencional con una característica exponencial de corriente-voltaje. Sin embargo, a medida que los voltajes aplicados aumentan por encima de cero, las bandas de conducción y de cenefa se vuelven más desalineadas y el voltaje finalmente cae antes de aumentar nuevamente. Este efecto se debe a la tunelización mecánica cuántica. Esto se ve en la característica corriente-voltaje del diodo túnel que se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a), donde la caída de corriente crea una resistencia dinámica negativa. Embebido en un circuito apropiado, incluso tan simple como un circuito RLC paralelo, el diodo túnel es el elemento activo de un oscilador de RF. Por lo general, un diodo Gunn tiene una concentración de dopante muy alta para que el voltaje de ruptura inverso sea muy bajo.

Figura\(\PageIndex{1}\): Dos fuentes semiconductoras terminales.

Diodo IMPATT

Un diodo IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) produce alta potencia y a lo largo de la historia de su uso ha producido los niveles de potencia más altos a la frecuencia más alta\(1000\text{ GHz}\), hasta, de cualquier dispositivo semiconductor [37, 38, 39, 40, 47, 48, 49, 50, 51].

El diodo IMPATT es el más importante de los diodos semiconductores de tiempo de tránsito, ver Figura\(\PageIndex{1}\) (b). En los dispositivos de tiempo de tránsito la generación de portadores de carga se concentra en una región estrecha del diodo. En un diodo IMPATT, un campo alto en el límite entre una región n altamente dopada, la\(\text{n}^{+}\) región y una región n ligeramente dopada conduce a la multiplicación de avalanchas produciendo agujeros y electrones. Los agujeros se recogen rápidamente por un contacto metálico adyacente y los electrones transitan a través de una región de deriva con dopaje generalmente intrínseco y un campo constante. Si los electrones a la deriva están suficientemente retrasados, entonces la corriente de RF a través del dispositivo estará desfasada con la tensión de RF aplicada (superpuesta a una tensión de CC de polarización) y se presentará una resistencia de RF negativa en los terminales del dispositivo. También se pueden intercambiar los papeles de los agujeros y electrones. Así, el diodo IMPATT puede ser utilizado como componente activo de un oscilador [52]. Se pueden utilizar en un amplificador como dispositivo de reflexión que tiene un coeficiente de reflexión mayor a uno [53]. Sin embargo, la señal oscilante producida tiene un alto ruido debido al proceso de avalancha subyacente.

Otros efectos pueden producir cargas que eventualmente deriven y producir una resistencia negativa de RF. Un ejemplo es un diodo TUNNETT que inyecta cargas a través de túneles [54, 55]. Otro dispositivo es el diodo TRAPATT (diodo de tiempo de tránsito de avalancha de plasma atrapado), un diodo de unión pn, donde la inyección del portador resulta de un plasma de carga espacial atrapado formado dentro de la región de unión [42, 56].

Diodo Gunn

Un diodo Gunn también se llama dispositivo de electrones transferidos o dispositivo de efecto Gunn. Si bien estrictamente no es un diodo ya que no hay una unión, el nombre de diodo Gunn se ha vuelto de uso común porque hay dos electrodos. La estructura y la característica de corriente-voltaje de un diodo Gunn se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\) (c) [37, 38, 39, 40, 57, 58, 59, 60, 61]. El dispositivo tiene tres regiones\(\text{n}\) tipo: dos\(\text{n}^{+}\) regiones fuertemente dopadas en cada contacto, separadas por una\(\text{n}^{−}\) región ligeramente dopada. Cuando se aplica un voltaje al dispositivo, la mayor parte del voltaje es a través de la\(\text{n}^{−}\) región y el dispositivo actúa como una resistencia con la corriente a través del diodo Gunn proporcional al voltaje a través de él. A voltajes más altos la conductividad de la\(\text{n}^{−}\) región baja y la corriente baja, por lo que hay una región de resistencia dinámica negativa.

6.11.2 Dispositivos de vacío

Algunos sistemas de microondas utilizan tubos de vacío para obtener altas potencias de RF; aquí se revisan los dispositivos de tubo de vacío más comunes.

Magnetron

El magnetrón es el dispositivo original utilizado para generar energía de microondas y fue inventado durante la Segunda Guerra Mundial para su uso en equipos de radar. Se usa más comúnmente en hornos microondas, donde es el medio más eficiente para producir energía de microondas en\(2.4\text{ GHz}\). Se utiliza en sistemas militares hoy en día para producir megavatios de potencia de RF pulsada y se utiliza para generar energía sustancial de hasta unos pocos terahercios [62, 63, 64, 65]. En un magnetrón una cámara circular, que contiene el cátodo, está rodeada y conectada a una serie de cavidades resonantes. Las paredes de la cámara son el ánodo. Las dimensiones de la cavidad determinan la frecuencia de la señal de salida. Un fuerte campo magnético constante en la cámara hace que los electrones que quieren fluir del cátodo al ánodo giren. A medida que los electrones pasan por la entrada de las cavidades circulares, los electrones interactúan con el campo EM en la cavidad, potenciando el campo a una frecuencia característica, que es la frecuencia de oscilación del magnetrón.

Klystron

El klystron es un tubo de vacío largo y estrecho con un cañón de electrones (el cátodo) en un extremo y un ánodo en el otro [66, 67, 68, 69]. En medio hay una serie de cavidades resonantes en forma de rosquilla alineadas para que el haz de electrones del cátodo pase a través del orificio. A medida que el haz pasa por las cavidades, pequeños cambios en el haz de electrones afectan el campo EM en las cavidades. Los campos EM en las cavidades comienzan a oscilar, lo que a su vez afecta al haz de electrones que pasa. Se produce un efecto de retroalimentación, y cuando se conectan las últimas y primeras cavidades resonantes, se produce una gran señal de microondas oscilante.

Tubo de onda viajera y oscilador de onda hacia atrás

Un tubo de onda viajera (TWT) es un tubo de vacío largo con un cañón de electrones (el cátodo) en un extremo y un colector (el ánodo) en el otro. El haz de electrones producido por el cañón se desplaza por el centro de una hélice de alambre largo [70, 71, 72, 73, 74, 75]. Una sonda de acoplamiento de excitación, una antena, colocada cerca del cátodo introduce una señal de microondas. Esto modula el haz de electrones, que a su vez induce una corriente de RF en la hélice. La hélice está diseñada para que la señal EM soportada por la hélice viaje a la misma velocidad que el haz de electrones para que el haz de electrones y la señal EM guiada por la hélice interactúen continuamente. Así, la corriente de RF en la hélice así como el campo de RF crecen en fuerza a lo largo del tubo. Una sonda de salida en el extremo del ánodo del tubo se acopla al campo de RF y entrega una versión amplificada de la señal de RF de entrada. Como amplificador el TWT se llama amplificador de tubo de onda viajera (TWTA).

En el TWT la hélice ralentiza la señal de RF para que coincida con la velocidad de los electrones y así la hélice se denomina estructura de onda lenta. Otro dispositivo de tubo que utiliza una estructura de onda lenta es el oscilador de onda hacia atrás (BWO). Sin embargo, en el BWO el haz se dirige contra la onda viajera soportada por la hélice.