فهم الثنائيات الانهيار: دليل للمهندسين

كمهندس ، أنت تعرف مدى أهمية الثنائيات في طريقة عمل الدوائر الإلكترونية.

لكن هل تعرف عن الصمام الثنائي الانهيار؟ تختلف ثنائيات الانهيار الجليدي عن الثنائيات العادية لأنها تتمتع بميزة خاصة تتيح لها القيام بعدد من المهام المختلفة في تطبيقات الجهد العالي.

لذا اربط حزام الأمان واستعد للغوص في عالم رائع من الثنائيات الجليدية!

مقدمة إلى أفالانش ديود

تعريف رسمي:

الصمام الثنائي لانهيار أشباه الموصلات ، المصنوع عادة من السيليكون ، والذي يحدث فيه انهيار الانهيار الجليدي عبر تقاطع pn بأكمله ، ثم يكون انخفاض الجهد ثابتًا بشكل أساسي ومستقل عن التيار ؛ أهم نوعين هما الثنائيات IMPATT و TRAPATT.

الصمام الثنائي الانهيار الجليدي هو نوع من الصمامات الثنائية شبه الموصلة التي تتحلل في انهيار جليدي عند جهد معين.

عندما يتجاوز الجهد عبر الصمام الثنائي قيمة معينة ، يحدث انهيار الانهيار الجليدي.

بناء

يتم تصنيع كل من الصمام الثنائي Zener والصمام الثنائي الانهيار الجليدي بالطريقة نفسها ، لكن كمية المنشطات في الصمام الثنائي الانهيار الجليدي تختلف عن تلك الموجودة في الصمام الثنائي Zener.

يتم إجراء تقاطع الصمام الثنائي للانهيار الجليدي لإيقاف التركيز الحالي والبقع الساخنة التي تأتي منه ، بحيث لا يؤذي تأثير الانهيار الجليدي الصمام الثنائي.

مبدأ العمل للديود الانهيار الجليدي

صُممت الثنائيات الانهيار الجليدي للعمل في منطقة الانهيار العكسي ، حيث يمكنها حمل تيار كبير دون أن تتعرض للتلف.

تم إجراء تقاطع pn للديود الانهيار الجليدي لإيقاف تركيز التيار والبقع الساخنة التي تأتي منه ، بحيث لا يؤذي تأثير الانهيار الجليدي الصمام الثنائي.

عندما يتم تطبيق جهد التحيز العكسي على الصمام الثنائي الانهيار ، فإنه يصل إلى جهد الانهيار ويذهب إلى منطقة انهيار الانهيار الجليدي ، حيث يمكن أن يحمل تيارًا كبيرًا دون أن يتضرر.

يحدث الانهيار الجليدي عندما يكون الجهد عبر الصمام الثنائي أعلى من قيمة معينة ، مما يجعل التيار يرتفع بسرعة.

يؤدي تكاثر الانهيارات الثلجية إلى زيادة الإلكترونات والأيونات الحرة ، مما يتسبب في تدفق كمية كبيرة من التيار عبر الجهاز.

أنواع الثنائيات

زينر ديود

الصمام الثنائي Zener هو نوع من الصمام الثنائي الذي يُظهر تأثير انهيار Zener عندما يتجاوز الجهد عبر الصمام الثنائي مستوى معينًا.

يتسبب المجال الكهربائي العالي عبر الصمام الثنائي في تأثير انهيار Zener ، وهو نوع من انهيار الانهيار الجليدي.

يستخدم الصمام الثنائي Zener في الغالب للتحكم في الجهد والحماية من الارتفاع المفاجئ في التيار وإحداث الضوضاء.

أفالانش ضوئي

الصمام الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي هو نوع من الصمام الثنائي أشباه الموصلات المصنوع للعمل في منطقة انهيار الانهيار الجليدي.

غالبًا ما يستخدم ككاشف للفوتون عالي الكسب في تطبيقات الإضاءة المنخفضة مثل أنظمة اتصالات الألياف الضوئية وأجهزة التصوير.

عندما يتم أخذ الفوتونات بواسطة الصمام الثنائي ، فإنها تخلق أزواجًا من الثقوب الإلكترونية

يمكن للحقل الكهربائي العالي في الصمام الثنائي تسريع أزواج الثقوب الإلكترونية ، مما يتسبب في تدفق حاملات الشحنة.

الفرق بين Zener و Avalanche Breakdown

الطريقة التي يحدث بها انهيار Zener وانهيار الانهيار الجليدي هي الفرق الرئيسي بين الاثنين.

يحدث انهيار زينر عندما يكون هناك مجال كهربائي قوي عبر منطقة نضوب الصمام الثنائي

يحدث الانهيار الجليدي عندما تصطدم الإلكترونات الحرة بالذرات في الصمام الثنائي.

تحدد كمية المنشطات في الصمام الثنائي جهد انهيار Zener ، بينما يحدد عرض منطقة النضوب جهد انهيار الانهيار الجليدي.

فيديو: ديود! كل أنواعها وكيف تعمل

نصيحة: قم بتشغيل زر التسمية التوضيحية إذا كنت بحاجة إليه.

تطبيقات الثنائيات الانهيار

أجهزة الحماية ومنظمات الجهد

في معظم الأحيان ، تُستخدم صمامات الانهيار الجليدي لحماية الأجزاء الإلكترونية الحساسة من التلف بسبب الفولتية العالية أو ارتفاع التيار في الدوائر الإلكترونية.

يمكن استخدامها أيضًا للتحكم في الجهد عبر الحمل في الدوائر ، حيث تعمل في منطقة الانهيار العكسي.

مصادر الضوضاء في دوائر التردد اللاسلكي والميكروويف

في دوائر الترددات اللاسلكية ودوائر الميكروويف ، غالبًا ما تستخدم الثنائيات الجليدية كمصادر للضوضاء.

أثناء عملية انهيار الانهيار الجليدي ، تتكون الإلكترونات والثقوب بشكل عشوائي ، مما ينتج عنه ضوضاء بيضاء

هذا يجعلها مفيدة للاتصالات والحرب الإلكترونية.

أجهزة التحويل عالية السرعة في الدوائر الرقمية

في الدوائر الرقمية ، تُستخدم الثنائيات الجليدية كمفاتيح عالية السرعة يمكن تشغيلها وإيقاف تشغيلها في فترة زمنية قصيرة جدًا ، تسمى بيكو ثانية.

لهذا السبب ، يمكن استخدامها لأشياء مثل نقل البيانات عالي السرعة ومعالجة الإشارات الرقمية.

كاشفات الفوتون عالية الكسب في الأنظمة الإلكترونية الضوئية

الثنائيات الضوئية الانهيار الجليدي (APDs) هي أجهزة شبه موصلة يتم تصنيعها للعمل في منطقة انهيار الانهيار الجليدي عندما يمتص الصمام الثنائي الفوتونات.

تُستخدم أجهزة APD في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية وأنظمة تحديد المدى بالليزر وغيرها من التطبيقات منخفضة الإضاءة مثل كاشفات الفوتون عالية الكسب.

انخفاض الجهد في الثنائيات الانهيار الجليدي

صُممت الثنائيات الانهيار الجليدي للاستفادة من تأثير الانهيار الجليدي ، بحيث يكون لها انخفاض صغير ولكن ملحوظ في الجهد عند تعطلها.

من ناحية أخرى ، تحافظ ثنائيات زينر دائمًا على الجهد فوق النقطة التي تتعطل فيها.

معظم ثنائيات الانهيار الجليدي لها انخفاض في الجهد يتراوح بين 1 و 2 فولت.

معامل درجة حرارة الجهد

تحتوي ثنائيات زينر على معامل درجة حرارة صغير للجهد السالب ، بينما تحتوي الثنائيات الانهيار الجليدي على معامل درجة حرارة صغير للجهد الموجب.

هذا يعني أنه مع ارتفاع درجة الحرارة ، سيرتفع انخفاض الجهد في الصمام الثنائي الانهيار قليلاً ، بينما سينخفض ​​انخفاض الجهد في الصمام الثنائي Zener مع ارتفاع درجة الحرارة.

مقارنة مع الثنائيات الأخرى

معظم ثنائيات شوتكي لديها انخفاض في الجهد يتراوح بين 0.15 فولت و 0.45 فولت.

الجهد الأمامي لثنائيات السيليكون هو 0.7 فولت ، ولثنائيات الجرمانيوم 0.3 فولت.

نظرًا لأن انخفاض الجهد الأمامي عبر الصمام الثنائي السليكوني ثابت تقريبًا عند حوالي 0.7 فولت ، بينما يختلف التيار من خلاله بكميات كبيرة نسبيًا ، يمكن استخدام الصمام الثنائي السليكون المتحيز للأمام كمصدر للجهد الثابت.

مزايا وعيوب استخدام الثنائيات الجليدية

تتميز ثنائيات الانهيار الجليدي بالعديد من المزايا مقارنة بالديودات العادية. تدوم لفترة أطول من معظم الثنائيات ، مما يجعلها أكثر موثوقية عند استخدامها في مواقف معينة.

تم تصميم تقاطع pn للديود الانهيار الجليدي لمنع التركيز الحالي والنقاط الساخنة الناتجة بحيث لا يتضرر الصمام الثنائي بسبب تأثير الانهيار الجليدي.

مزايا

الثنائيات الانهيار الجليدي مفيدة في عدد من المواقف ، مثل حماية الدوائر ، وإحداث ضوضاء ، وإيجاد الفوتونات.

إنها تظهر مستوى أعلى من الحساسية والأداء العالي ووقت الاستجابة السريع ، مما يجعلها مثالية للاستخدام في هذه التطبيقات.

يمكنهم أيضًا حماية الدوائر من الفولتية التي لا ينبغي أن تكون موجودة ، مما يجعلها مفيدة في الأنظمة الإلكترونية.

العيوب

ولكن هناك بعض الأشياء السيئة حول استخدام صمامات الانهيار الجليدي التي يجب أن تفكر فيها.

وتشمل هذه الحاجة إلى جهد تشغيل أعلى بكثير ، ومخرج غير خطي ناتج عن عملية الانهيار الجليدي ، ومستوى أعلى بكثير من الضوضاء ، والحاجة إلى عمل تحيز عكسي مرتفع.

قد لا تعمل ثنائيات الانهيار الجليدي أيضًا مثل الأنواع الأخرى من الثنائيات ، مما قد يمثل مشكلة في بعض المواقف.

على الرغم من أن لديهم هذه المشاكل ، لا تزال الثنائيات الجليدية مستخدمة على نطاق واسع في مواقف معينة بسبب كيفية عملها.

على الرغم من أنها قد لا تكون موثوقة مثل الأنواع الأخرى من الثنائيات ، إلا أنها مفيدة في الأنظمة الإلكترونية لأنها حساسة وتستجيب بسرعة.

الفرق بين Avalanche Diode و PIN Diode

الثنائيات الانهيار والثنائيات PIN كلاهما نوعان من الثنائيات شبه الموصلة ، لكنهما يعملان بطرق مختلفة تمامًا.

جهد التشغيل

جهد التشغيل هو فرق كبير بين النوعين.

يتم تصنيع الثنائيات الانهيار الجليدي للعمل في منطقة الانهيار العكسي ، والتي تحتاج إلى جهد أعلى من منطقة التشغيل العادية.

من ناحية أخرى ، تعمل صمامات PIN الثنائية في المنطقة المنحازة للأمام ، والتي تحتاج عادةً إلى جهد أقل.

لذلك ، من الأفضل أن نقول إن الثنائيات الانهيار الجليدي تحتاج إلى جهد أعلى للوصول إلى منطقة انهيار الانهيار الجليدي أكثر من حاجتها إلى جهد تشغيل أعلى.

ضوضاء

بسبب طريقة عملها ، يمكن أن تحدث ثنائيات الانهيار الجليدي مزيدًا من الضوضاء.

ولكن يمكن خفض مستوى الضوضاء هذا عن طريق تطبيق جهد في الاتجاه المعاكس لجهد الانهيار.

من ناحية أخرى ، تُستخدم ثنائيات PIN عادةً لأنها تصدر ضوضاء أقل ، ولكن لا يزال بإمكانها إحداث بعض الضوضاء اعتمادًا على كيفية استخدامها.

الهيكل الداخلي

الثنائيات الانهيار الجليدي لها مكان بالداخل حيث تتكاثر الإلكترونات عند تطبيق جهد عكسي من الخارج.

هذا يجعل التضخيم الداخلي بين 10 و 100 مرة أكبر.

من ناحية أخرى ، تحتوي الثنائيات PIN على منطقة جوهرية بها منطقة استنفاد أكبر وسعة أقل من الصمام الثنائي القياسي pn.

هذا يعني أن صمامات PIN الثنائية أكثر حساسية وتستجيب بشكل أسرع.

متطلبات الجهد

الثنائيات الانهيار الجليدي لها جهد انحياز عكسي أعلى بكثير ، بين 100 و 200 فولت للسيليكون.

من ناحية أخرى ، يعمل الصمام الثنائي PIN بجهد منخفض وهو جيد للأجهزة منخفضة الطاقة.

بشكل عام ، يتم تصنيع الثنائيات الجليدية وثنائيات PIN بطرق متشابهة ، لكن طرق عملها المختلفة تعني أنها تُستخدم في مواقف مختلفة.

يمكن استخدام ثنائيات الانهيار الجليدي مع الفولتية العالية ، وفي الأنظمة الإلكترونية الضوئية ، يمكن استخدامها ككاشف للفوتون عالي الكسب.

من ناحية أخرى ، تعد صمامات PIN الثنائية أفضل للتطبيقات منخفضة الطاقة وعالية التردد التي تحتاج إلى ضوضاء منخفضة وسرعة عالية.

ثنائيات منخفضة الضوضاء

الثنائيات الضوئية الانهيار الجليدي هي الاسم الصحيح لثنائيات الانهيار الجليدي منخفضة الضوضاء (APDs).

APDs هي كاشفات ثنائية ضوئية شبه موصلة تستخدم التأثير الكهروضوئي لتحويل الضوء إلى كهرباء. هم حساسون للغاية.

إن نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية (SNR) ، والاستجابة السريعة للوقت ، والتيار المظلم المنخفض ، والحساسية العالية هي ما يجعلها تبرز.

تطبيقات APDs

تُستخدم أجهزة APD في العديد من الأشياء المختلفة ، مثل:

• محددات نطاق الليزر.
• دراسات ارتباط الفوتون.
• أنظمة الاتصال بالألياف الضوئية.
• ليدار.
• الماسحات الضوئية للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني أو التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني.

دائرة التحيز منخفضة الضوضاء

يتم التحكم في كسب APD بواسطة الجهد الذي يتم وضعه عبر التقاطع في الاتجاه المعاكس. للحفاظ على الكسب ثابتًا ومستوى الضوضاء منخفضًا ، يجب التحكم في هذا الجهد بعناية.

للقيام بذلك ، يمكن صنع جهد التحيز لأجهزة APD والتحكم فيه بواسطة دائرة تحيز منخفضة الضوضاء. تستخدم هذه الدائرة محول تعزيز PWM بتردد ثابت وضوضاء منخفضة

المتحكم الدقيق الذي يقرأ الثرمستور يعوض درجة الحرارة.

عامل الضوضاء الزائد

بالمقارنة مع الثنائيات الضوئية PIN ، فإن APDs بها ضوضاء أكثر لأن إحصائيات عملية الانهيار الجليدي تسبب تقلبات حالية.

عامل الضوضاء الزائد هو وسيلة لحساب مقدار الضوضاء التي تحتويها APD أكثر من كاشف الضجيج المحدود.

ثنائيات ضوئية أفالانش

كاشف الثنائي الضوئي لأشباه الموصلات شديد الحساسية ، يستخدم الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي (APD) التأثير الكهروضوئي لتحويل الضوء إلى كهرباء.

يعمل APD مع انحياز عكسي مرتفع ، مما يسمح للثقوب والإلكترونات التي تتكون عندما يضربها فوتون أو ضوء بالتكاثر مثل الانهيارات الثلجية.

هذا يجعل من الممكن زيادة كسب الثنائي الضوئي عدة مرات ، مما يمنحه نطاقًا واسعًا من الحساسية.

كيف تعمل عملية الضرب في الانهيار الجليدي في APDs

تبدأ عملية الانهيار الجليدي عندما يُمتص فوتون ويتأين إلكترون أو ثقب عندما يصطدمان بشيء ما.

يعطي المجال الكهربائي للحاملات الناتجة طاقة كافية لصنع حاملات ثانوية من خلال تأين التأثير.

تنتج هذه العملية فيضانًا من أزواج الثقوب الإلكترونية ، مما يعطي إشارة أقوى من الامتصاص المباشر وحده.

كسب APD يساوي نسبة إجمالي عدد الإلكترونات والثقوب الناتجة عن عملية الانهيار الجليدي إلى عدد الفوتونات التي يمتصها الجهاز.

المميزات والعيوب

تتمثل الفائدة الرئيسية من الثنائي الضوئي في الانهيار الجليدي في أنه حساس للغاية ويمكنه التقاط إشارات منخفضة المستوى.

يعتبر APD أكثر حساسية من الثنائيات الضوئية الأخرى لأشباه الموصلات ويمكن استخدامه في الأماكن التي قد لا تتمكن فيها الثنائيات الضوئية الأخرى من الوصول إلى نفس المستوى من الحساسية.

بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من الثنائيات الضوئية ، فإن APD يستجيب أيضًا بشكل أسرع ويكون تدفق التيار أقل عند عدم استخدامه.

ومع ذلك ، تعاني أجهزة APD من بعض المشاكل.

• تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في APD في أنه ، مقارنة بالديودات الضوئية الأخرى ، يحتاج إلى جهد أعلى للعمل.
• بسبب مضاعفة الموجة الحاملة ، تُحدث أجهزة APD أيضًا ضوضاء أكثر مما ينبغي.
• يمكن أن يؤدي استخدام تقنيات التصميم وظروف التشغيل الصحيحة إلى تقليل الضوضاء.
• أخيرًا ، لا يحتوي APD على ناتج خطي ، مما قد يجعل استخدامه أكثر صعوبة في بعض المواقف.

استخدم حالات

مستعمل في:	وصف:
الجهد المنظم	يمكن استخدام الثنائيات الانهيار للتحكم في الجهد في الدوائر الإلكترونية من خلال توفير جهد مرجعي ثابت. يمكن استخدامها كمنظم تحويلة للحفاظ على ثبات الجهد عبر الدائرة أو كمنظم سلسلة للحفاظ على استقرار جهد الخرج حتى لو تغير الجهد.
مولدات النبض	يمكن استخدام ثنائيات الانهيار الجليدي لعمل دفعات قصيرة من الجهد العالي في مولدات النبض. عندما يحدث ارتفاع في الجهد ، يذهب الصمام الثنائي إلى انهيار الانهيار الجليدي ويصدر نبضًا حادًا مع وقت ارتفاع سريع. هذا مفيد لأشياء مثل الرادار ، التي تحتاج إلى نبضات عالية التردد.
أجهزة الميكروويف	تستخدم الثنائيات IMPATT (الانهيار الجليدي للتأين IMPact) و TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) الثنائيات الانهيار الجليدي. ترسل هذه الثنائيات إشارات عالية التردد في نطاق الميكروويف. تُستخدم هذه الإشارات في أنظمة الرادار وأنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية وغيرها من التطبيقات عالية التردد.
حماية الطفرة	يمكن استخدام ثنائيات الانهيار الجليدي في واقيات الصواعق لحماية الأجهزة الإلكترونية من ارتفاعات الجهد والجهد الزائد العابر. يمكنهم تثبيت الجهد عند مستوى معين والحفاظ على الجهاز من التلف بسبب الجهد العالي.
مضخمات التردد اللاسلكي	يمكن لمضخمات التردد اللاسلكي (RF) استخدام صمامات الانهيار الجليدي لعمل إشارات تردد لاسلكي عالية الطاقة. في هذه الحالة ، ينتقل الصمام الثنائي إلى منطقة انهيار الانهيار الجليدي ، مما يؤدي إلى ارتفاع التيار بسرعة وإصدار إشارة RF قوية.
أجهزة كشف الأشعة السينية وأشعة جاما	يمكن استخدام ثنائيات الانهيار الجليدي في التصوير الطبي وأماكن أخرى كأشعة إكس وكاشفات أشعة جاما. يلتقط الصمام الثنائي الفوتونات التي تحتوي على الكثير من الطاقة ، والتي ترسل نبضة تيار يمكن استخدامها لقياس طاقة الإشعاع.

استخدامات اخرى:

https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode

خاتمة

مع اقتراب هذه المقالة من نهايتها ، من الواضح أن ثنائيات الانهيار الجليدي هي أجزاء مهمة في العديد من الأنظمة الإلكترونية.

نظرًا لطريقة صنعها وما يمكنهم فعله ، فهي أدوات مفيدة لأي مهندس.

ولكن ، مثل أي تقنية أخرى ، فإن استخدام ثنائيات الانهيار الجليدي له إيجابيات وسلبيات ، ومن المهم موازنة ذلك بعناية في أي تطبيق.

كمهندسين ، نبحث دائمًا عن أحدث وأفضل التقنيات لمساعدتنا في تصميم أنظمة أفضل.

ولكن من المهم أيضًا الاحتفاظ بها ضع في اعتبارك أن أساسيات الإلكترونيات كانت موجودة منذ فترة طويلة وهي لا تقل أهمية اليوم كما كانت في ذلك الوقت.

لذلك ، سواء كنت مهندسًا متمرسًا أو بدأت للتو ، من المهم معرفة كيفية عمل الثنائيات الجليدية في الإلكترونيات الحديثة.

من خلال القيام بذلك ، ستكون قادرًا بشكل أفضل على تصميم أنظمة تعمل بشكل جيد ويمكن الاعتماد عليها لتطبيقاتك.

على الرغم من تغير التكنولوجيا ، تظل القواعد الأساسية للإلكترونيات كما هي.