Como ingeniero, sabe lo importantes que son los diodos para el funcionamiento de los circuitos electrónicos.
¿Pero sabes sobre el diodo de avalancha? Los diodos de avalancha son diferentes de los diodos normales porque tienen una característica especial que les permite realizar una serie de tareas diferentes en aplicaciones de alto voltaje.
¡Así que abróchese el cinturón y prepárese para sumergirse en el fascinante mundo de los diodos de avalancha!
Introducción al diodo de avalancha
Definicion formal:
Un diodo de ruptura de semiconductores, generalmente hecho de silicio, en el que se produce una ruptura de avalancha en toda la unión pn y la caída de voltaje es esencialmente constante e independiente de la corriente; los dos tipos más importantes son los diodos IMPATT y TRAPATT.
Un diodo de avalancha es un tipo de diodo semiconductor que se rompe en una avalancha a un cierto voltaje.
Cuando el voltaje a través de un diodo supera un cierto valor, ocurre una ruptura de avalancha.
Construcción
Un diodo Zener y un diodo de avalancha están hechos de la misma manera, pero la cantidad de dopaje en un diodo de avalancha es diferente a la de un diodo Zener.
La unión de un diodo de avalancha se hace para detener la concentración de corriente y los puntos calientes que provienen de ella, para que el efecto de avalancha no dañe el diodo.
Principio de funcionamiento del diodo de avalancha
Los diodos de avalancha están hechos para funcionar en la región de ruptura inversa, donde pueden transportar una gran corriente sin dañarse.
La unión pn de un diodo de avalancha está hecha para detener la concentración de corriente y los puntos calientes que provienen de ella, para que el efecto de avalancha no dañe el diodo.
Cuando se aplica un voltaje de polarización inversa al diodo de avalancha, alcanza el voltaje de ruptura y entra en la región de ruptura de avalancha, donde puede transportar una gran corriente sin dañarse.
La ruptura por avalancha ocurre cuando el voltaje a través del diodo es mayor que cierto valor, lo que hace que la corriente aumente rápidamente.
La multiplicación de avalanchas genera más electrones e iones libres, lo que hace que fluya una gran cantidad de corriente a través del dispositivo.
Tipos de diodos de avalancha
Diodo Zener
El diodo Zener es un tipo de diodo que muestra el efecto de ruptura Zener cuando el voltaje a través del diodo supera cierto nivel.
Un campo eléctrico alto a través del diodo provoca el efecto de ruptura de Zener, que es un tipo de ruptura de avalancha.
El diodo Zener se usa principalmente para controlar el voltaje, proteger contra sobretensiones y hacer ruido.
Fotodiodo de avalancha
El fotodiodo de avalancha es un tipo de diodo semiconductor que está hecho para funcionar en la región de ruptura de avalancha.
A menudo se utiliza como detector de fotones de alta ganancia en aplicaciones con poca luz, como sistemas de comunicación de fibra óptica y dispositivos de imágenes.
Cuando los fotones son absorbidos por el diodo, crean pares electrón-hueco.
El alto campo eléctrico en el diodo puede entonces acelerar estos pares electrón-hueco, provocando una avalancha de portadores de carga.
Diferencia entre Zener y Avalanche Breakdown
La forma en que ocurren la ruptura de Zener y la ruptura de avalancha es la principal diferencia entre los dos.
La ruptura de Zener ocurre cuando hay un fuerte campo eléctrico en la región de agotamiento del diodo.
La ruptura de la avalancha ocurre cuando los electrones libres golpean los átomos en el diodo.
La cantidad de dopaje en un diodo determina el voltaje de ruptura de Zener, mientras que el ancho de la región de agotamiento determina el voltaje de ruptura de avalancha.
Vídeo: ¡DIODOS! Todo tipo de ellos y cómo funcionan
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Aplicaciones de diodos de avalancha
Dispositivos de Protección y Reguladores de Voltaje
La mayoría de las veces, los diodos de avalancha se utilizan para proteger las partes electrónicas sensibles de daños por sobrevoltajes de alta tensión o corriente en los circuitos electrónicos.
También se pueden usar para controlar el voltaje a través de una carga en los circuitos, donde trabajan en la región de ruptura inversa.
Fuentes de ruido en circuitos de RF y microondas
En los circuitos de RF y microondas, los diodos de avalancha se utilizan a menudo como fuentes de ruido.
Durante el proceso de descomposición de la avalancha, los electrones y los huecos se forman al azar, lo que produce un ruido blanco.
Esto los hace útiles para la comunicación y la guerra electrónica.
Dispositivos de conmutación de alta velocidad en circuitos digitales
En los circuitos digitales, los diodos de avalancha se utilizan como interruptores de alta velocidad que pueden encenderse y apagarse en un período de tiempo muy corto, llamado picosegundo.
Debido a esto, se pueden usar para cosas como la transferencia de datos de alta velocidad y el procesamiento de señales digitales.
Detectores de fotones de alta ganancia en sistemas optoelectrónicos
Los fotodiodos de avalancha (APD) son dispositivos semiconductores que están hechos para funcionar en la región de ruptura de avalancha cuando el diodo absorbe los fotones.
Los APD se utilizan en sistemas de comunicación de fibra óptica, sistemas de alcance láser y otras aplicaciones de bajo nivel de luz como detectores de fotones de alta ganancia.
Caída de voltaje en diodos de avalancha
Los diodos de avalancha están diseñados para aprovechar el efecto de avalancha, por lo que tienen una caída de voltaje pequeña pero notable cuando se rompen.
Los diodos Zener, por otro lado, siempre mantienen el voltaje por encima del punto donde se rompen.
La mayoría de los diodos de avalancha tienen una caída de tensión de entre 1 y 2 voltios.
Coeficiente de temperatura de voltaje
Los diodos Zener tienen un coeficiente de voltaje de temperatura pequeño que es negativo, mientras que los diodos de avalancha tienen un coeficiente de voltaje de temperatura pequeño que es positivo.
Esto significa que a medida que sube la temperatura, la caída de voltaje en un diodo de avalancha aumentará ligeramente, mientras que la caída de voltaje en un diodo Zener disminuirá a medida que suba la temperatura.
Comparación con otros diodos
La mayoría de los diodos Schottky tienen una caída de tensión de entre 0,15 V y 0,45 V.
El voltaje directo para los diodos de silicio es de 0,7 V y para los diodos de germanio es de 0,3 V.
Como la caída de voltaje directo a través de un diodo de silicio es casi constante en alrededor de 0.7v, mientras que la corriente a través de él varía en cantidades relativamente grandes, un diodo de silicio con polarización directa se puede usar como una fuente de voltaje constante.
Ventajas y desventajas de usar diodos de avalancha
Los diodos de avalancha tienen varias ventajas sobre los diodos normales. Duran más que la mayoría de los diodos, lo que los hace más confiables cuando se usan en ciertas situaciones.
La unión pn de un diodo de avalancha está diseñada para evitar la concentración de corriente y los puntos calientes resultantes para que el diodo no sufra daños por el efecto de avalancha.
Las ventajas
Los diodos de avalancha son útiles en varias situaciones, como proteger circuitos, generar ruido y encontrar fotones.
Exhiben un mayor nivel de sensibilidad, alto rendimiento y tiempo de respuesta rápido, lo que los hace ideales para usar en estas aplicaciones.
También pueden proteger circuitos de voltajes que no deberían existir, lo que los hace útiles en sistemas electrónicos.
Las desventajas
Pero hay algunas cosas malas sobre el uso de diodos de avalancha en las que debería pensar.
Estos incluyen la necesidad de un voltaje operativo mucho más alto, una salida no lineal causada por el proceso de avalancha, un nivel de ruido mucho más alto y la necesidad de una alta polarización inversa para funcionar.
Es posible que los diodos de avalancha no funcionen tan bien como otros tipos de diodos, lo que podría ser un problema en algunas situaciones.
A pesar de que tienen estos problemas, los diodos de avalancha todavía se usan ampliamente en ciertas situaciones debido a su funcionamiento.
Aunque pueden no ser tan confiables como otros tipos de diodos, son útiles en los sistemas electrónicos porque son sensibles y responden rápidamente.
Diferencia entre diodo de avalancha y diodo PIN
Los diodos de avalancha y los diodos PIN son tipos de diodos semiconductores, pero funcionan de formas muy diferentes.
Tensión de funcionamiento
El voltaje de funcionamiento es una gran diferencia entre los dos tipos.
Los diodos de avalancha están hechos para funcionar en la región de ruptura inversa, que necesita un voltaje más alto que la región de funcionamiento normal.
Los diodos PIN, por otro lado, funcionan en la región con polarización directa, que generalmente necesita menos voltaje.
Por lo tanto, es mejor decir que los diodos de avalancha necesitan un voltaje más alto para alcanzar la región de ruptura de avalancha que necesitan un voltaje de funcionamiento más alto.
Ruido
Debido a cómo funcionan, los diodos de avalancha pueden hacer más ruido.
Pero este nivel de ruido se puede reducir aplicando un voltaje en la dirección opuesta al voltaje de ruptura.
Los diodos PIN, por otro lado, generalmente se usan porque hacen menos ruido, pero aún pueden hacer algo de ruido dependiendo de cómo se usen.
Estructura interna
Los diodos de avalancha tienen un lugar en el interior donde los electrones se multiplican cuando se aplica un voltaje inverso desde el exterior.
Esto hace que la amplificación interna sea entre 10 y 100 veces mayor.
Por otro lado, los diodos PIN tienen una región intrínseca que tiene una región de agotamiento más grande y menos capacitancia que un diodo pn estándar.
Esto significa que los diodos PIN son más sensibles y responden más rápidamente.
Requisitos de voltaje
Los diodos de avalancha tienen un voltaje de polarización inversa que es mucho mayor, entre 100 y 200 voltios para el silicio.
El diodo PIN, por otro lado, funciona a bajo voltaje y es bueno para dispositivos de baja potencia.
En general, los diodos de avalancha y los diodos PIN se fabrican de manera similar, pero sus diferentes formas de funcionamiento significan que se utilizan en diferentes situaciones.
Los diodos de avalancha se pueden usar con altos voltajes y, en sistemas optoelectrónicos, se pueden usar como detectores de fotones de alta ganancia.
Por otro lado, los diodos PIN son mejores para aplicaciones de baja potencia y alta frecuencia que necesitan poco ruido y alta velocidad.
Diodos de avalancha de bajo ruido
Los fotodiodos de avalancha son el nombre correcto para los diodos de avalancha de bajo ruido (APD).
Los APD son detectores de fotodiodos semiconductores que utilizan el efecto fotoeléctrico para convertir la luz en electricidad. Son muy sensibles.
Su alta relación señal-ruido (SNR), tiempo de respuesta rápido, corriente oscura baja y alta sensibilidad son lo que los hace destacar.
Aplicaciones de APD
Los APD se utilizan para muchas cosas diferentes, como:
- Telémetros láser.
- Estudios de correlación de fotones.
- Sistemas de comunicación con fibra óptica.
- Lidar.
- Escáneres para PET, o tomografía por emisión de positrones.
Circuito de polarización de bajo ruido
La ganancia de un APD está controlada por el voltaje que se aplica a través de la unión en la dirección opuesta. Para mantener la ganancia estable y el nivel de ruido bajo, este voltaje debe controlarse cuidadosamente.
Para hacer esto, el voltaje de polarización para los APD puede generarse y controlarse mediante un circuito de polarización de bajo ruido. Este circuito utiliza un convertidor elevador PWM con una frecuencia fija y bajo nivel de ruido.
Un microcontrolador que lee un termistor compensa la temperatura.
Factor de exceso de ruido
En comparación con los fotodiodos PIN, los APD tienen más ruido porque las estadísticas del proceso de avalancha provocan fluctuaciones de corriente.
El factor de exceso de ruido es una forma de calcular cuánto más ruido tiene un APD que un detector de ruido de disparo limitado.
Fotodiodos de avalancha
Un detector de fotodiodo semiconductor altamente sensible, un fotodiodo de avalancha (APD) utiliza el efecto fotoeléctrico para convertir la luz en electricidad.
El APD funciona con una alta polarización inversa, lo que permite que los huecos y los electrones que se forman cuando un fotón o luz incide sobre él se multipliquen como avalanchas.
Esto permite aumentar varias veces la ganancia del fotodiodo, lo que le otorga un amplio rango de sensibilidad.
Cómo funciona el proceso de multiplicación de avalancha en APD
El proceso de avalancha comienza cuando se absorbe un fotón y se ioniza un electrón o un hueco cuando golpean algo.
El campo eléctrico da a los portadores resultantes suficiente energía para hacer portadores secundarios a través de la ionización por impacto.
Este proceso produce una avalancha de pares electrón-hueco, lo que da una señal más fuerte que la absorción directa sola.
La ganancia del APD es igual a la relación entre el número total de electrones y huecos creados por el proceso de avalancha y el número de fotones absorbidos por el dispositivo.
Ventajas y desventajas
El principal beneficio de un fotodiodo de avalancha es que es muy sensible y puede captar señales de bajo nivel.
El APD es más sensible que otros fotodiodos semiconductores y puede usarse en lugares donde otros fotodiodos no pueden alcanzar el mismo nivel de sensibilidad.
En comparación con otros tipos de fotodiodos, el APD también responde más rápido y tiene menos flujo de corriente cuando no se usa.
Sin embargo, los APD tienen algunos problemas.
- Uno de los principales problemas de un APD es que, en comparación con otros fotodiodos, necesita un voltaje más alto para funcionar.
- Debido a la multiplicación de portadores, los APD también hacen más ruido del que deberían.
- El uso de las técnicas de diseño y las condiciones de funcionamiento adecuadas puede reducir el ruido.
- Por último, un APD no tiene una salida lineal, lo que puede dificultar su uso en algunas situaciones.
casos de uso
| Utilizada en: | Descripción: |
|---|---|
| Reguladores de voltaje | Los diodos de avalancha se pueden usar para controlar el voltaje en los circuitos electrónicos proporcionando un voltaje de referencia estable. Se pueden usar como un regulador de derivación para mantener el voltaje constante en todo el circuito o como un regulador en serie para mantener estable el voltaje de salida incluso si cambia el voltaje entrante. |
| Generadores de pulsos | Los diodos de avalancha se pueden usar para hacer ráfagas cortas de alto voltaje en generadores de pulso. Cuando ocurre un pico de voltaje, el diodo entra en una ruptura de avalancha y genera un pulso agudo con un tiempo de aumento rápido. Esto es útil para cosas como el radar, que necesitan pulsos de alta frecuencia. |
| Dispositivos de microondas | Los diodos IMPATT (Impact ionization Avalanche Transit-Time) y TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) utilizan diodos de avalancha. Estos diodos envían señales de alta frecuencia en el rango de microondas. Estas señales se utilizan en sistemas de radar, sistemas de comunicación por satélite y otras aplicaciones de alta frecuencia. |
| Protección contra sobretensiones | Los diodos de avalancha se pueden usar en protectores contra sobretensiones para proteger los dispositivos electrónicos de picos de voltaje y sobretensiones transitorias. Pueden sujetar el voltaje a un cierto nivel y evitar que el dispositivo se dañe por el alto voltaje. |
| Amplificadores de RF | Los amplificadores de radiofrecuencia (RF) pueden usar diodos de avalancha para generar señales de RF de alta potencia. En este caso, el diodo entra en la región de ruptura de avalancha, lo que hace que la corriente aumente rápidamente y genere una señal de RF fuerte. |
| Detectores de Rayos X y Rayos Gamma | Los diodos de avalancha se pueden usar en imágenes médicas y otros lugares como detectores de rayos X y rayos gamma. Los fotones con mucha energía son recogidos por el diodo, que envía un pulso de corriente que puede usarse para medir la energía de la radiación. |
Otros usos:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Conclusión
Al llegar al final de este artículo, queda claro que los diodos de avalancha son partes importantes de muchos sistemas electrónicos.
Por cómo están hechos y lo que pueden hacer, son herramientas útiles para cualquier ingeniero.
Pero, como cualquier otra tecnología, el uso de diodos de avalancha tiene ventajas y desventajas, y es importante sopesarlas cuidadosamente en cualquier aplicación.
Como ingenieros, siempre estamos buscando la mejor y más nueva tecnología para ayudarnos a diseñar mejores sistemas.
Pero también es importante mantener Tenga en cuenta que los conceptos básicos de la electrónica han existido durante mucho tiempo y son tan importantes hoy como lo fueron entonces.
Por lo tanto, tanto si es un ingeniero experimentado como si acaba de empezar, es importante saber cómo funcionan los diodos de avalancha en la electrónica moderna.
Al hacer esto, podrá diseñar mejor sistemas que funcionen bien y sean confiables para sus aplicaciones.
Aunque la tecnología cambia, las reglas básicas de la electrónica siguen siendo las mismas.
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