Insinöörinä tiedät, kuinka tärkeitä diodit ovat elektronisten piirien toiminnalle.
Mutta tiedätkö lumivyörydiodista? Lumivyörydiodit eroavat tavallisista diodeista, koska niissä on erikoisominaisuus, jonka avulla ne voivat suorittaa useita erilaisia tehtäviä suurjännitesovelluksissa.
Ota siis solki kiinni ja valmistaudu sukeltamaan lumivyörydiodien kiehtovaan maailmaan!
Avalanche Dioden esittely
Muodollinen määritelmä:
Puolijohdehajotusdiodi, joka on yleensä valmistettu piistä, jossa lumivyöryä tapahtuu koko pn-liitoksella ja jännitehäviö on tällöin olennaisesti vakio ja virrasta riippumaton; kaksi tärkeintä tyyppiä ovat IMPATT- ja TRAPATT-diodit.
Lumivyörydiodi on eräänlainen puolijohdediodi, joka saatetaan hajoamaan lumivyöryssä tietyllä jännitteellä.
Kun jännite diodin yli ylittää tietyn arvon, tapahtuu lumivyöry.
Rakentaminen
Zener-diodi ja lumivyörydiodi valmistetaan molemmat samalla tavalla, mutta dopingin määrä lumivyörydiodissa on erilainen kuin Zener-diodissa.
Lumivyörydiodin liitoskohta on tehty pysäyttämään virran keskittyminen ja siitä tulevat kuumat pisteet, jotta lumivyöryefekti ei vahingoita diodia.
Avalanche-diodin toimintaperiaate
Lumivyörydiodit on tehty toimimaan käänteishäiriöalueella, jossa ne voivat kuljettaa suurta virtaa vahingoittumatta.
Lumivyörydiodin pn-liitos on tehty pysäyttämään virran keskittyminen ja siitä tulevat kuumat pisteet, jotta lumivyöryvaikutus ei vahingoita diodia.
Kun käänteinen esijännite kohdistetaan lumivyörydiodiin, se saavuttaa läpilyöntijännitteen ja menee lumivyöryn katkeamisalueelle, jossa se voi kuljettaa suurta virtaa vahingoittumatta.
Lumivyöryn rikkoutuminen tapahtuu, kun jännite diodin yli on korkeampi kuin tietty arvo, mikä saa virran nousemaan nopeasti.
Lumivyöryn lisääntyminen saa aikaan enemmän vapaita elektroneja ja ioneja, mikä saa laitteen läpi kulkemaan suuren määrän virtaa.
Avalanche-diodien tyypit
Zener diodi
Zener-diodi on eräänlainen diodi, joka näyttää Zener-katkosvaikutuksen, kun diodin yli oleva jännite ylittää tietyn tason.
Suuri sähkökenttä diodin poikki aiheuttaa Zener-katkosvaikutuksen, joka on eräänlainen lumivyöry.
Zener-diodia käytetään enimmäkseen ohjaamaan jännitettä, suojaamaan ylijännitteiltä ja aiheuttamaan melua.
Avalanche-valodiodi
Lumivyöryn valodiodi on eräänlainen puolijohdediodi, joka on tehty toimimaan lumivyöryn hajoamisalueella.
Sitä käytetään usein suuren vahvistuksen fotonitunnistimena heikossa valaistuksessa, kuten kuituoptisissa viestintäjärjestelmissä ja kuvantamislaitteissa.
Kun diodi ottaa fotonit sisäänsä, ne muodostavat elektroni-aukko-pareja
Diodin voimakas sähkökenttä voi sitten nopeuttaa näitä elektroni-reikäpareja aiheuttaen varauksenkuljettajien tulvan.
Ero Zenerin ja Avalanche Breakdownin välillä
Tapa, jolla Zener- ja lumivyörykatko tapahtuu, on tärkein ero näiden kahden välillä.
Zenerin hajoaminen tapahtuu, kun diodin ehtymisalueella on voimakas sähkökenttä
Lumivyöryn hajoaminen tapahtuu, kun vapaat elektronit osuvat diodin atomeihin.
Seostuksen määrä diodissa määrittää Zenerin läpilyöntijännitteen, kun taas tyhjennysalueen leveys määrittää lumivyöryjännitteen.
Video: DIODIT! Kaikenlaiset ne ja miten ne toimivat
Vinkki: Ota tekstityspainike käyttöön, jos tarvitset sitä.
Avalanche-diodien sovellukset
Suojalaitteet ja jännitesäätimet
Suurimman osan ajasta lumivyörydiodeja käytetään suojaamaan herkkiä elektronisia osia vaurioilta elektronisten piirien korkean jännitteen tai virtapiikin vuoksi.
Niitä voidaan käyttää myös ohjaamaan jännitettä kuorman yli piireissä, joissa ne toimivat päinvastaisella läpilyönnillä.
Kohinalähteet RF- ja mikroaaltouunipiireissä
RF- ja mikroaaltouunipiireissä lumivyörydiodeja käytetään usein kohinan lähteinä.
Lumivyöryn hajoamisprosessin aikana elektroneja ja reikiä syntyy satunnaisesti, mikä aiheuttaa valkoista kohinaa
Tämä tekee niistä hyödyllisiä viestinnässä ja sähköisessä sodankäynnissä.
Nopeat kytkentälaitteet digitaalisissa piireissä
Digitaalisissa piireissä lumivyörydiodeja käytetään nopeina kytkiminä, jotka voivat käynnistyä ja sammua hyvin lyhyessä ajassa, jota kutsutaan pikosekundiksi.
Tämän vuoksi niitä voidaan käyttää esimerkiksi nopeaan tiedonsiirtoon ja digitaaliseen signaalinkäsittelyyn.
High Gain fotoniilmaisimet optoelektronisissa järjestelmissä
Avalanche-valodiodit (APD) ovat puolijohdelaitteita, jotka on saatu toimimaan lumivyöryn hajoamisalueella, kun diodi absorboi fotoneja.
APD:itä käytetään kuituoptisissa viestintäjärjestelmissä, laseretäisyysjärjestelmissä ja muissa matalan valotason sovelluksissa korkean vahvistuksen fotoniilmaisimina.
Jännitteen pudotus lumivyörydiodeissa
Lumivyörydiodit on suunniteltu hyödyntämään lumivyöryefektiä, joten niissä on pieni mutta havaittava jännitehäviö, kun ne hajoavat.
Zener-diodit sen sijaan pitävät jännitteen aina hajoamispisteen yläpuolella.
Useimpien lumivyörydiodien jännitehäviö on 1-2 volttia.
Jännitteen lämpötilakerroin
Zener-diodeilla on pieni lämpötilakerroin jännite, joka on negatiivinen, kun taas Avalanche-diodeilla on pieni lämpötilakerroin jännite, joka on positiivinen.
Tämä tarkoittaa, että lämpötilan noustessa lumivyörydiodin jännitehäviö nousee hieman, kun taas Zener-diodin jännitehäviö laskee lämpötilan noustessa.
Vertailu muihin diodeihin
Useimpien Schottky-diodien jännitehäviö on 0,15 V ja 0,45 V välillä.
Piidiodien myötäjännite on 0,7 V ja germaniumdiodien 0,3 V.
Koska eteenpäin suuntautuva jännitehäviö piidiodin yli on lähes vakio, noin 0,7 V, kun taas sen läpi kulkeva virta vaihtelee suhteellisen paljon, eteenpäin esijännitettyä piidiodia voidaan käyttää vakiojännitelähteenä.
Avalanche-diodien käytön edut ja haitat
Avalanche-diodilla on useita etuja tavallisiin diodeihin verrattuna. Ne kestävät pidempään kuin useimmat diodit, mikä tekee niistä luotettavampia tietyissä tilanteissa.
Lumivyörydiodin pn-liitos on suunniteltu estämään virran keskittyminen ja siitä johtuvat kuumat pisteet, jotta diodi ei vaurioidu lumivyöryvaikutuksesta.
Edut
Lumivyörydiodit ovat hyödyllisiä useissa tilanteissa, kuten piirien suojaamisessa, melun tekemisessä ja fotonien etsimisessä.
Niillä on korkeampi herkkyys, korkea suorituskyky ja nopea vasteaika, joten ne ovat ihanteellisia käytettäväksi näissä sovelluksissa.
Ne voivat myös suojata piirejä jännitteiltä, joita ei pitäisi olla, mikä tekee niistä hyödyllisiä elektronisissa järjestelmissä.
Haitat
Mutta lumivyörydiodien käytössä on joitain huonoja asioita, joita sinun pitäisi ajatella.
Näitä ovat tarve paljon korkeammalle käyttöjännitteelle, lumivyöryprosessin aiheuttama epälineaarinen lähtö, paljon korkeampi melutaso ja tarve suurelle käänteiselle biasille.
Lumivyörydiodit eivät myöskään välttämättä toimi yhtä hyvin kuin muun tyyppiset diodit, mikä voi olla ongelma joissakin tilanteissa.
Vaikka heillä on näitä ongelmia, lumivyörydiodeja käytetään edelleen laajalti tietyissä tilanteissa niiden toimintatavan vuoksi.
Vaikka ne eivät ehkä ole yhtä luotettavia kuin muun tyyppiset diodit, ne ovat hyödyllisiä elektronisissa järjestelmissä, koska ne ovat herkkiä ja reagoivat nopeasti.
Ero lumivyörydiodin ja PIN-diodin välillä
Avalanche-diodit ja PIN-diodit ovat molemmat puolijohdediodeja, mutta ne toimivat hyvin eri tavoin.
Käyttöjännite
Käyttöjännitteellä on suuri ero näiden kahden tyypin välillä.
Lumivyörydiodit on saatettu toimimaan käänteisellä läpilyönnillä, joka tarvitsee normaalia toiminta-aluetta korkeamman jännitteen.
PIN-diodit sen sijaan toimivat eteenpäin suuntautuvalla alueella, joka tarvitsee yleensä vähemmän jännitettä.
Joten on parempi sanoa, että lumivyörydiodit tarvitsevat suuremman jännitteen päästäkseen lumivyöryalueelle kuin että ne tarvitsevat korkeamman käyttöjännitteen.
Melu
Toimintatavan vuoksi lumivyörydiodit voivat aiheuttaa enemmän melua.
Mutta tätä melutasoa voidaan alentaa kohdistamalla jännite läpilyöntijännitteen vastakkaiseen suuntaan.
PIN-diodeja sitä vastoin käytetään yleensä, koska ne aiheuttavat vähemmän melua, mutta ne voivat silti aiheuttaa jonkin verran melua riippuen siitä, miten niitä käytetään.
Sisäinen rakenne
Lumivyörydiodeissa on paikka, jossa elektronit lisääntyvät, kun ulkopuolelta kohdistetaan käänteistä jännitettä.
Tämä tekee sisäisestä vahvistuksesta 10-100 kertaa suuremman.
Toisaalta PIN-diodeissa on sisäinen alue, jolla on suurempi tyhjennysalue ja pienempi kapasitanssi kuin tavallisella pn-diodilla.
Tämä tarkoittaa, että PIN-diodit ovat herkempiä ja reagoivat nopeammin.
Jännitevaatimukset
Lumivyörydiodeilla on käänteinen esijännite, joka on paljon korkeampi, 100 ja 200 voltin välillä piillä.
PIN-diodi puolestaan toimii alhaisella jännitteellä ja sopii pienitehoisille laitteille.
Kaiken kaikkiaan lumivyörydiodit ja PIN-diodit valmistetaan samalla tavalla, mutta niiden erilainen toimintatapa tarkoittaa, että niitä käytetään erilaisissa tilanteissa.
Avalanche-diodeja voidaan käyttää suurilla jännitteillä, ja optoelektronisissa järjestelmissä niitä voidaan käyttää korkean vahvistuksen fotoniilmaisimina.
Toisaalta PIN-diodit ovat parempia pienitehoisiin, korkeataajuisiin sovelluksiin, jotka vaativat sekä alhaista kohinaa että suurta nopeutta.
Matalakohinaiset lumivyörydiodit
Avalanche-valodiodit ovat oikea nimi matalakohinaisille avalanche-diodeille (APD).
APD:t ovat puolijohdevalodiodiilmaisimia, jotka käyttävät valosähköistä vaikutusta valon muuttamiseksi sähköksi. He ovat erittäin herkkiä.
Niiden korkea signaali-kohinasuhde (SNR), nopea aikavaste, alhainen pimeävirta ja korkea herkkyys tekevät niistä erottuvan.
APD:n sovellukset
APD:itä käytetään moniin eri asioihin, kuten:
- Laseretäisyysmittarit.
- Fotonikorrelaatiotutkimukset.
- Järjestelmät tiedonsiirtoon kuituoptiikan kanssa.
- Lidar.
- Skannerit PET:tä tai positroniemissiotomografiaa varten.
Low-Noise Bias Circuit
APD:n vahvistusta ohjaa jännite, joka asetetaan liitoskohdan poikki vastakkaiseen suuntaan. Jotta vahvistus pysyisi tasaisena ja melutaso matalana, tätä jännitettä on säädettävä huolellisesti.
Tätä varten APD:iden bias-jännite voidaan tehdä ja ohjata matalakohinaisella bias-piirillä. Tämä piiri käyttää PWM-tehostusmuunninta kiinteällä taajuudella ja alhaisella kohinalla
Mikrokontrolleri, joka lukee termistorin, kompensoi lämpötilaa.
Ylimääräinen melutekijä
PIN-valodiodeihin verrattuna APD:ssä on enemmän kohinaa, koska lumivyöryprosessin tilastot aiheuttavat virran vaihteluita.
Ylimääräinen kohinakerroin on tapa laskea, kuinka paljon enemmän kohinaa APD:llä on kuin laukauskohinarajoitetun ilmaisimen.
Avalanche-valodiodit
Erittäin herkkä puolijohdevalodiodidetektori, lumivyöryvalodiodi (APD) käyttää valosähköistä vaikutusta valon muuttamiseksi sähköksi.
APD toimii suurella käänteisellä biasilla, mikä antaa fotonin tai valon osuessa siihen syntyneiden reikien ja elektronien lisääntyä lumivyöryjen tavoin.
Tämä mahdollistaa valodiodin vahvistuksen lisäämisen useita kertoja, mikä antaa sille laajan herkkyysalueen.
Kuinka lumivyöryn kertolaskuprosessi toimii APD:ssä
Lumivyöryprosessi alkaa, kun fotoni imeytyy ja elektroni tai reikä ionisoituu osuessaan johonkin.
Sähkökenttä antaa tuloksena oleville kantoaineille tarpeeksi energiaa sekundääristen kantajien muodostamiseksi iskuionisaation kautta.
Tämä prosessi muodostaa elektroni-reikäparien tulvan, joka antaa vahvemman signaalin kuin pelkkä suora absorptio.
APD:n vahvistus on yhtä suuri kuin lumivyöryprosessin tekemien elektronien ja reikien kokonaismäärän suhde laitteen absorboimien fotonien määrään.
Hyödyt ja haitat
Lumivyöryn valodiodin tärkein etu on, että se on erittäin herkkä ja voi poimia matalan tason signaaleja.
APD on herkempi kuin muut puolijohdevalodiodit, ja sitä voidaan käyttää paikoissa, joissa muut valodiodit eivät ehkä pysty saavuttamaan samaa herkkyystasoa.
Verrattuna muihin valodiodeihin APD reagoi myös nopeammin ja sillä on vähemmän virtaa, kun sitä ei käytetä.
APD:llä on kuitenkin joitain ongelmia.
- Yksi APD:n suurimmista ongelmista on, että se tarvitsee korkeamman jännitteen toimiakseen muihin valodiodeihin verrattuna.
- Kantoaallon lisääntymisen vuoksi APD:t pitävät myös enemmän melua kuin niiden pitäisi.
- Oikeiden suunnittelutekniikoiden ja käyttöolosuhteiden käyttö voi vähentää melua.
- Lopuksi APD:llä ei ole lineaarista lähtöä, mikä voi vaikeuttaa sen käyttöä joissakin tilanteissa.
Käytä koteloita
| Käytetty: | Kuvaus: |
|---|---|
| Jännitesäätimet | Lumivyörydiodeja voidaan käyttää ohjaamaan jännitettä elektronisissa piireissä tarjoamalla vakaa referenssijännite. Niitä voidaan käyttää shunttisäätimenä pitämään jännitteen vakiona piirissä tai sarjasäätimenä pitämään lähtöjännite vakaana, vaikka tuleva jännite muuttuisi. |
| Pulssigeneraattorit | Lumivyörydiodeja voidaan käyttää lyhyiden korkeajännitepurskeiden tekemiseen pulssigeneraattoreissa. Kun jännitepiikki tapahtuu, diodi menee lumivyöryyn ja antaa terävän pulssin nopealla nousuajalla. Tämä on hyödyllistä asioissa, kuten tutka, joka tarvitsee korkeataajuisia pulsseja. |
| Mikroaaltouunit | IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) ja TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) -diodit käyttävät lumivyörydiodeja. Nämä diodit lähettävät korkeataajuisia signaaleja mikroaaltoalueella. Näitä signaaleja käytetään tutkajärjestelmissä, satelliittiviestintäjärjestelmissä ja muissa korkeataajuisissa sovelluksissa. |
| Ylijännitesuoja | Lumivyörydiodeja voidaan käyttää ylijännitesuojaimissa suojaamaan elektronisia laitteita jännitepiikkeiltä ja ohimeneviltä ylijännitteiltä. Ne voivat puristaa jännitteen tietylle tasolle ja estää laitteen vahingoittumisen korkean jännitteen vaikutuksesta. |
| RF-vahvistimet | Radiotaajuusvahvistimet (RF) voivat käyttää lumivyörydiodeja suuritehoisten RF-signaalien tuottamiseen. Tässä tapauksessa diodi menee lumivyöry-alueelle, mikä saa virran nousemaan nopeasti ja muodostamaan voimakkaan RF-signaalin. |
| Röntgen- ja gammasäteilyilmaisimet | Lumivyörydiodeja voidaan käyttää lääketieteellisessä kuvantamisessa ja muissa paikoissa röntgen- ja gammasäteilyilmaisimina. Diodi poimii paljon energiaa sisältävät fotonit, jotka lähettävät virtapulssin, jonka avulla voidaan mitata säteilyn energiaa. |
Muut käyttötarkoitukset:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Johtopäätös
Tämän artikkelin loputtua on selvää, että lumivyörydiodit ovat tärkeitä osia monissa elektronisissa järjestelmissä.
Niiden valmistustavan ja kykynsä vuoksi ne ovat hyödyllisiä työkaluja jokaiselle insinöörille.
Mutta kuten kaikilla muillakin tekniikoilla, lumivyörydiodien käytössä on sekä hyviä että huonoja puolia, ja on tärkeää punnita nämä huolellisesti kaikissa sovelluksissa.
Insinööreinä etsimme aina uusinta ja parasta teknologiaa, joka auttaa meitä suunnittelemaan parempia järjestelmiä.
Mutta se on myös tärkeää säilyttää Muista, että elektroniikan perusteet ovat olleet olemassa jo pitkään ja ovat yhtä tärkeitä nykyään kuin silloin.
Joten olitpa kokenut insinööri tai vasta aloittamassa, on tärkeää tietää, miten lumivyörydiodit toimivat nykyaikaisessa elektroniikassa.
Näin pystyt paremmin suunnittelemaan järjestelmiä, jotka toimivat hyvin ja ovat luotettavia sovelluksiisi.
Vaikka tekniikka muuttuu, elektroniikan perussäännöt pysyvät samoina.
Jaa…
