Als Ingenieur wissen Sie, wie wichtig Dioden für die Funktionsweise elektronischer Schaltungen sind.
Aber kennen Sie die Avalanche-Diode? Avalanche-Dioden unterscheiden sich von normalen Dioden durch eine spezielle Eigenschaft, die es ihnen ermöglicht, eine Reihe verschiedener Aufgaben in Hochspannungsanwendungen zu erledigen.
Also schnallen Sie sich an und machen Sie sich bereit, in die faszinierende Welt der Avalanche-Dioden einzutauchen!
Einführung in die Avalanche-Diode
Formale Definition:
Eine Halbleiter-Durchbruchdiode, üblicherweise aus Silizium, bei der ein Lawinendurchbruch über den gesamten pn-Übergang auftritt und der Spannungsabfall dann im Wesentlichen konstant und stromunabhängig ist; die beiden wichtigsten Typen sind IMPATT- und TRAPATT-Dioden.
Eine Avalanche-Diode ist eine Art Halbleiterdiode, die bei einer bestimmten Spannung in einer Lawine durchbricht.
Wenn die Spannung an einer Diode einen bestimmten Wert überschreitet, kommt es zu einem Lawinendurchbruch.
Konstruktion
Eine Zener-Diode und eine Avalanche-Diode werden beide auf die gleiche Weise hergestellt, aber die Dotierungsmenge in einer Avalanche-Diode unterscheidet sich von der in einer Zener-Diode.
Der Übergang einer Avalanche-Diode dient dazu, die Stromkonzentration und die daraus resultierenden Hot Spots zu stoppen, damit der Avalanche-Effekt die Diode nicht beschädigt.
Funktionsprinzip der Avalanche-Diode
Avalanche-Dioden arbeiten im Rückwärtsdurchbruchbereich, wo sie einen großen Strom führen können, ohne beschädigt zu werden.
Der pn-Übergang einer Avalanche-Diode soll die Stromkonzentration und die daraus resultierenden Hot Spots stoppen, damit der Avalanche-Effekt die Diode nicht beeinträchtigt.
Wenn eine umgekehrte Vorspannung an die Lawinendiode angelegt wird, erreicht sie die Durchbruchspannung und geht in den Lawinendurchbruchbereich, wo sie einen großen Strom führen kann, ohne beschädigt zu werden.
Ein Lawinendurchbruch tritt auf, wenn die Spannung an der Diode einen bestimmten Wert überschreitet, wodurch der Strom schnell ansteigt.
Die Lawinenvervielfachung erzeugt mehr freie Elektronen und Ionen, wodurch eine große Strommenge durch das Gerät fließt.
Arten von Avalanche-Dioden
Zener-Diode
Die Zener-Diode ist eine Art Diode, die den Zener-Durchbruchseffekt zeigt, wenn die Spannung über der Diode einen bestimmten Pegel überschreitet.
Ein hohes elektrisches Feld über der Diode verursacht den Zener-Durchbrucheffekt, der eine Art Lawinendurchbruch ist.
Die Zenerdiode wird hauptsächlich verwendet, um die Spannung zu steuern, vor Überspannungen zu schützen und Rauschen zu erzeugen.
Avalanche-Fotodiode
Die Avalanche-Fotodiode ist eine Art Halbleiterdiode, die für den Betrieb im Avalanche-Durchbruchsbereich ausgelegt ist.
Es wird häufig als High-Gain-Photonendetektor in Low-Light-Anwendungen wie faseroptischen Kommunikationssystemen und Bildgebungsgeräten verwendet.
Wenn Photonen von der Diode aufgenommen werden, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare
Das hohe elektrische Feld in der Diode kann diese Elektron-Loch-Paare dann beschleunigen und eine Flut von Ladungsträgern verursachen.
Unterschied zwischen Zener- und Lawinendurchbruch
Die Art und Weise, wie Zener-Durchbruch und Lawinen-Durchbruch ablaufen, ist der Hauptunterschied zwischen den beiden.
Ein Zener-Durchbruch tritt auf, wenn ein starkes elektrisches Feld über dem Verarmungsbereich der Diode liegt
Ein Lawinendurchbruch tritt auf, wenn freie Elektronen auf Atome in der Diode treffen.
Die Dotierungsmenge in einer Diode bestimmt die Zener-Durchbruchspannung, während die Breite der Verarmungszone die Lawinendurchbruchspannung bestimmt.
Video: DIODEN! Alle Arten von ihnen und wie sie funktionieren
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Anwendungen von Avalanche-Dioden
Schutzgeräte und Spannungsregler
Meistens werden Avalanche-Dioden verwendet, um empfindliche elektronische Teile vor Schäden durch Hochspannung oder Stromstöße in elektronischen Schaltungen zu schützen.
Sie können auch verwendet werden, um die Spannung über einer Last in Schaltkreisen zu steuern, wo sie im Sperrdurchbruchbereich arbeiten.
Rauschquellen in HF- und Mikrowellenschaltungen
In HF- und Mikrowellenschaltungen werden Avalanche-Dioden oft als Rauschquellen verwendet.
Während des Lawinendurchbruchs werden zufällig Elektronen und Löcher erzeugt, was weißes Rauschen erzeugt
Dies macht sie nützlich für die Kommunikation und die elektronische Kriegsführung.
Hochgeschwindigkeitsschaltgeräte in digitalen Schaltungen
In digitalen Schaltungen werden Avalanche-Dioden als Hochgeschwindigkeitsschalter verwendet, die in sehr kurzer Zeit, Pikosekunde genannt, ein- und ausgeschaltet werden können.
Aus diesem Grund können sie für Dinge wie Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und digitale Signalverarbeitung verwendet werden.
Photonendetektoren mit hoher Verstärkung in optoelektronischen Systemen
Avalanche-Fotodioden (APDs) sind Halbleiterbauelemente, die dafür ausgelegt sind, im Lawinendurchbruchbereich zu arbeiten, wenn Photonen von der Diode absorbiert werden.
APDs werden in faseroptischen Kommunikationssystemen, Laserentfernungssystemen und anderen schwach beleuchteten Anwendungen als hochverstärkende Photonendetektoren verwendet.
Spannungsabfall in Avalanche-Dioden
Avalanche-Dioden sind so konzipiert, dass sie den Avalanche-Effekt ausnutzen, sodass sie einen kleinen, aber merklichen Spannungsabfall haben, wenn sie durchbrechen.
Zenerdioden hingegen halten die Spannung immer über dem Punkt, an dem sie durchbrechen.
Die meisten Avalanche-Dioden haben einen Spannungsabfall zwischen 1 und 2 Volt.
Temperaturkoeffizient der Spannung
Zener-Dioden haben einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Spannung, der negativ ist, während Avalanche-Dioden einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Spannung haben, der positiv ist.
Das bedeutet, dass mit steigender Temperatur der Spannungsabfall in einer Avalanche-Diode leicht ansteigt, während der Spannungsabfall in einer Zener-Diode mit steigender Temperatur abnimmt.
Vergleich mit anderen Dioden
Die meisten Schottky-Dioden haben einen Spannungsabfall zwischen 0,15 V und 0,45 V.
Die Durchlassspannung für Siliziumdioden beträgt 0,7 V und für Germaniumdioden 0,3 V.
Da der Durchlassspannungsabfall über einer Siliziumdiode nahezu konstant bei etwa 0,7 V liegt, während der Strom durch sie relativ stark variiert, kann eine in Durchlassrichtung vorgespannte Siliziumdiode als Konstantspannungsquelle verwendet werden.
Vor- und Nachteile der Verwendung von Avalanche-Dioden
Avalanche-Dioden haben gegenüber normalen Dioden mehrere Vorteile. Sie halten länger als die meisten Dioden, was sie in bestimmten Situationen zuverlässiger macht.
Der pn-Übergang einer Avalanche-Diode soll eine Stromkonzentration und daraus resultierende Hotspots verhindern, damit die Diode durch den Avalanche-Effekt nicht beschädigt wird.
Die Vorteile
Avalanche-Dioden sind in einer Reihe von Situationen nützlich, z. B. Beim Schutz von Schaltkreisen, beim Erzeugen von Rauschen und beim Auffinden von Photonen.
Sie weisen ein höheres Maß an Empfindlichkeit, hohe Leistung und schnelle Reaktionszeit auf, was sie ideal für den Einsatz in diesen Anwendungen macht.
Sie können auch Schaltungen vor Spannungen schützen, die nicht vorhanden sein sollten, was sie in elektronischen Systemen nützlich macht.
Die Nachteile
Aber es gibt einige schlechte Dinge bei der Verwendung von Avalanche-Dioden, über die Sie nachdenken sollten.
Dazu gehören die Notwendigkeit einer viel höheren Betriebsspannung, ein nichtlinearer Ausgang, der durch den Avalanche-Prozess verursacht wird, ein viel höherer Rauschpegel und die Notwendigkeit einer hohen Sperrvorspannung, um zu funktionieren.
Avalanche-Dioden funktionieren möglicherweise auch nicht so gut wie andere Arten von Dioden, was in manchen Situationen ein Problem darstellen kann.
Obwohl sie diese Probleme haben, werden Avalanche-Dioden aufgrund ihrer Funktionsweise in bestimmten Situationen immer noch häufig verwendet.
Obwohl sie möglicherweise nicht so zuverlässig sind wie andere Diodentypen, sind sie in elektronischen Systemen nützlich, da sie empfindlich sind und schnell reagieren.
Unterschied zwischen Avalanche-Diode und PIN-Diode
Avalanche-Dioden und PIN-Dioden sind beides Arten von Halbleiterdioden, aber sie arbeiten auf sehr unterschiedliche Weise.
Betriebsspannung
Die Betriebsspannung ist ein großer Unterschied zwischen den beiden Typen.
Avalanche-Dioden arbeiten im Rückwärtsdurchbruchbereich, der eine höhere Spannung als der normale Betriebsbereich benötigt.
PIN-Dioden hingegen arbeiten im in Durchlassrichtung gepolten Bereich, der normalerweise weniger Spannung benötigt.
Es ist also besser zu sagen, dass Avalanche-Dioden eine höhere Spannung benötigen, um den Avalanche-Durchbruchbereich zu erreichen, als dass sie eine höhere Betriebsspannung benötigen.
Lärm
Aufgrund ihrer Funktionsweise können Avalanche-Dioden mehr Rauschen verursachen.
Dieser Rauschpegel kann jedoch durch Anlegen einer Spannung in entgegengesetzter Richtung der Durchbruchspannung gesenkt werden.
PIN-Dioden hingegen werden normalerweise verwendet, weil sie weniger Rauschen machen, aber sie können immer noch etwas Rauschen machen, je nachdem, wie sie verwendet werden.
Interne Struktur
Avalanche-Dioden haben einen Platz im Inneren, an dem sich Elektronen vervielfachen, wenn von außen eine Sperrspannung angelegt wird.
Dadurch wird die interne Verstärkung zwischen 10 und 100 Mal größer.
Andererseits haben PIN-Dioden einen intrinsischen Bereich, der einen größeren Verarmungsbereich und eine geringere Kapazität als eine Standard-pn-Diode hat.
Dadurch sind PIN-Dioden empfindlicher und sprechen schneller an.
Spannungsanforderungen
Avalanche-Dioden haben eine Sperrspannung, die viel höher ist, zwischen 100 und 200 Volt für Silizium.
Die PIN-Diode hingegen arbeitet mit einer niedrigen Spannung und ist gut für Geräte mit geringem Stromverbrauch.
Insgesamt werden Avalanche-Dioden und PIN-Dioden auf ähnliche Weise hergestellt, aber ihre unterschiedliche Arbeitsweise bedeutet, dass sie in unterschiedlichen Situationen verwendet werden.
Avalanche-Dioden können mit hohen Spannungen verwendet werden, und in optoelektronischen Systemen können sie als hochverstärkende Photonendetektoren verwendet werden.
Andererseits eignen sich PIN-Dioden besser für Hochfrequenzanwendungen mit geringem Stromverbrauch, die sowohl ein geringes Rauschen als auch eine hohe Geschwindigkeit erfordern.
Rauscharme Avalanche-Dioden
Avalanche-Fotodioden sind die korrekte Bezeichnung für rauscharme Avalanche-Dioden (APDs).
APDs sind Halbleiter-Photodioden-Detektoren, die den photoelektrischen Effekt nutzen, um Licht in Elektrizität umzuwandeln. Sie sind sehr empfindlich.
Sie zeichnen sich durch ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), ein schnelles Zeitverhalten, einen niedrigen Dunkelstrom und eine hohe Empfindlichkeit aus.
Anwendungen von APDs
APDs werden für viele verschiedene Dinge verwendet, wie zum Beispiel:
- Laser-Entfernungsmesser.
- Studien zur Photonenkorrelation.
- Systeme zur Kommunikation mit Lichtwellenleitern.
- Lidar.
- Scanner für PET oder Positronen-Emissions-Tomographie.
Low-Noise-Bias-Schaltung
Die Verstärkung einer APD wird durch die Spannung gesteuert, die in entgegengesetzter Richtung über den Übergang gelegt wird. Um die Verstärkung stabil und den Rauschpegel niedrig zu halten, muss diese Spannung sorgfältig kontrolliert werden.
Dazu kann die Vorspannung für APDs durch eine rauscharme Vorspannungsschaltung hergestellt und gesteuert werden. Diese Schaltung verwendet einen PWM-Aufwärtswandler mit fester Frequenz und geringem Rauschen
Ein Mikrocontroller, der einen Thermistor liest, kompensiert die Temperatur.
Überschüssiger Rauschfaktor
Im Vergleich zu PIN-Fotodioden haben APDs mehr Rauschen, da die Statistik des Avalanche-Prozesses Stromschwankungen verursacht.
Der Exzessrauschfaktor ist eine Methode, um zu berechnen, wie viel mehr Rauschen eine APD hat als ein Schrotrauschen-begrenzter Detektor.
Avalanche-Fotodioden
Ein hochempfindlicher Halbleiter-Fotodiodendetektor, eine Avalanche-Fotodiode (APD), nutzt den fotoelektrischen Effekt, um Licht in Elektrizität umzuwandeln.
Die APD arbeitet mit einer hohen Sperrspannung, wodurch sich die Löcher und Elektronen, die entstehen, wenn ein Photon oder Licht auf sie trifft, wie Lawinen vermehren.
Dadurch ist es möglich, die Verstärkung der Fotodiode um ein Vielfaches zu erhöhen, was ihr einen großen Empfindlichkeitsbereich verleiht.
Wie der Lawinenmultiplikationsprozess in APDs funktioniert
Der Lawinenprozess beginnt, wenn ein Photon absorbiert wird und ein Elektron oder ein Loch ionisiert wird, wenn sie auf etwas treffen.
Das elektrische Feld gibt den resultierenden Ladungsträgern genug Energie, um durch Stoßionisation sekundäre Ladungsträger zu bilden.
Dieser Prozess erzeugt eine Flut von Elektron-Loch-Paaren, die ein stärkeres Signal ergibt als die direkte Absorption allein.
Die Verstärkung der APD ist gleich dem Verhältnis der Gesamtzahl der durch den Lawinenprozess erzeugten Elektronen und Löcher zur Anzahl der von der Vorrichtung absorbierten Photonen.
Vorteile und Nachteile
Der Hauptvorteil einer Avalanche-Fotodiode besteht darin, dass sie sehr empfindlich ist und Signale mit niedrigem Pegel aufnehmen kann.
Die APD ist empfindlicher als andere Halbleiter-Fotodioden und kann an Orten eingesetzt werden, an denen andere Fotodioden möglicherweise nicht die gleiche Empfindlichkeit erreichen können.
Im Vergleich zu anderen Arten von Fotodioden reagiert die APD auch schneller und hat einen geringeren Stromfluss, wenn sie nicht verwendet wird.
APDs haben jedoch einige Probleme.
- Eines der Hauptprobleme bei einer APD ist, dass sie im Vergleich zu anderen Fotodioden eine höhere Spannung benötigt, um zu funktionieren.
- Aufgrund der Trägermultiplikation machen APDs auch mehr Rauschen, als sie sollten.
- Die Verwendung der richtigen Konstruktionstechniken und Betriebsbedingungen kann den Lärm reduzieren.
- Schließlich hat eine APD keinen linearen Ausgang, was die Verwendung in manchen Situationen erschweren kann.
Anwendungsfälle
| Benutzt in: | Beschreibung: |
|---|---|
| Spannungsregler | Avalanche-Dioden können verwendet werden, um die Spannung in elektronischen Schaltungen zu steuern, indem sie eine stabile Referenzspannung bereitstellen. Sie können als Shunt-Regler verwendet werden, um die Spannung über der Schaltung konstant zu halten, oder als Serienregler, um die Ausgangsspannung stabil zu halten, selbst wenn sich die Eingangsspannung ändert. |
| Impulsgeneratoren | Avalanche-Dioden können verwendet werden, um kurze Hochspannungsstöße in Impulsgeneratoren zu erzeugen. Wenn eine Spannungsspitze auftritt, geht die Diode in einen Lawinendurchbruch und erzeugt einen scharfen Impuls mit einer schnellen Anstiegszeit. Dies ist nützlich für Dinge wie Radar, die Impulse mit hoher Frequenz benötigen. |
| Mikrowellengeräte | IMPATT- (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) und TRAPATT- (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) Dioden verwenden Avalanche-Dioden. Diese Dioden senden Hochfrequenzsignale im Mikrowellenbereich aus. Diese Signale werden in Radarsystemen, Satellitenkommunikationssystemen und anderen Hochfrequenzanwendungen verwendet. |
| Überspannungsschutz | Avalanche-Dioden können in Überspannungsschutzvorrichtungen verwendet werden, um elektronische Geräte vor Spannungsspitzen und transienten Überspannungen zu schützen. Sie können die Spannung auf ein bestimmtes Niveau klemmen und verhindern, dass das Gerät durch Hochspannung beschädigt wird. |
| HF-Verstärker | Hochfrequenz(HF)-Verstärker können Avalanche-Dioden verwenden, um Hochleistungs-HF-Signale zu erzeugen. In diesem Fall geht die Diode in den Lawinendurchbruchbereich, wodurch der Strom schnell ansteigt und ein starkes HF-Signal erzeugt. |
| Röntgen- und Gammastrahlendetektoren | Lawinendioden können in der medizinischen Bildgebung und an anderen Orten als Röntgen- und Gammastrahlendetektoren verwendet werden. Photonen mit viel Energie werden von der Diode aufgenommen, die einen Stromimpuls aussendet, mit dem die Energie der Strahlung gemessen werden kann. |
Andere Verwendungen:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Abschluss
Am Ende dieses Artikels wird deutlich, dass Avalanche-Dioden wichtige Bestandteile vieler elektronischer Systeme sind.
Aufgrund ihrer Herstellung und ihrer Möglichkeiten sind sie nützliche Werkzeuge für jeden Ingenieur.
Aber wie jede andere Technologie hat auch die Verwendung von Avalanche-Dioden Vor- und Nachteile, und es ist wichtig, diese bei jeder Anwendung sorgfältig abzuwägen.
Als Ingenieure sind wir immer auf der Suche nach der neuesten und besten Technologie, die uns hilft, bessere Systeme zu entwickeln.
Aber es ist auch wichtig zu halten bedenken, dass die Grundlagen der Elektronik schon lange existieren und heute genauso wichtig sind wie damals.
Egal, ob Sie ein erfahrener Ingenieur sind oder gerade erst anfangen, es ist wichtig zu wissen, wie Avalanche-Dioden in der modernen Elektronik funktionieren.
Auf diese Weise sind Sie besser in der Lage, Systeme zu entwerfen, die gut funktionieren und für Ihre Anwendungen zuverlässig sind.
Auch wenn sich die Technik ändert, bleiben die Grundregeln der Elektronik gleich.
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