En tant qu'ingénieur, vous savez à quel point les diodes sont importantes pour le fonctionnement des circuits électroniques.
Mais connaissez-vous la diode à avalanche ? Les diodes à avalanche sont différentes des diodes ordinaires car elles ont une caractéristique spéciale qui leur permet d'effectuer un certain nombre de tâches différentes dans les applications à haute tension.
Alors bouclez votre ceinture et préparez-vous à plonger dans le monde fascinant des diodes à avalanche !
Introduction à la diode à avalanche
Définition formelle:
Une diode de claquage à semi-conducteur, généralement en silicium, dans laquelle le claquage par avalanche se produit sur toute la jonction pn et la chute de tension est alors essentiellement constante et indépendante du courant; les deux types les plus importants sont les diodes IMPATT et TRAPATT.
Une diode à avalanche est un type de diode semi-conductrice conçue pour se décomposer en avalanche à une certaine tension.
Lorsque la tension aux bornes d'une diode dépasse une certaine valeur, une panne d'avalanche se produit.
Construction
Une diode Zener et une diode à avalanche sont toutes deux fabriquées de la même manière, mais la quantité de dopage dans une diode à avalanche est différente de celle d'une diode Zener.
La jonction d'une diode à avalanche est faite pour arrêter la concentration de courant et les points chauds qui en découlent, afin que l'effet d'avalanche ne blesse pas la diode.
Principe de fonctionnement de la diode à avalanche
Les diodes à avalanche sont conçues pour fonctionner dans la région de claquage inverse, où elles peuvent transporter un courant important sans être endommagées.
La jonction pn d'une diode à avalanche est conçue pour arrêter la concentration de courant et les points chauds qui en découlent, afin que l'effet d'avalanche ne blesse pas la diode.
Lorsqu'une tension de polarisation inverse est appliquée à la diode à avalanche, elle atteint la tension de claquage et entre dans la région de claquage à avalanche, où elle peut transporter un courant important sans être endommagée.
Le claquage par avalanche se produit lorsque la tension aux bornes de la diode est supérieure à une certaine valeur, ce qui fait augmenter rapidement le courant.
La multiplication par avalanche crée plus d'électrons et d'ions libres, ce qui fait circuler une grande quantité de courant dans l'appareil.
Types de diodes à avalanche
Diode Zéner
La diode Zener est un type de diode qui montre l'effet de claquage Zener lorsque la tension aux bornes de la diode dépasse un certain niveau.
Un champ électrique élevé à travers la diode provoque l'effet de claquage Zener, qui est un type de claquage par avalanche.
La diode Zener est principalement utilisée pour contrôler la tension, protéger contre les surtensions et faire du bruit.
Photodiode à avalanche
La photodiode à avalanche est un type de diode semi-conductrice conçue pour fonctionner dans la région de claquage par avalanche.
Il est souvent utilisé comme détecteur de photons à gain élevé dans des applications à faible luminosité telles que les systèmes de communication à fibre optique et les dispositifs d'imagerie.
Lorsque les photons sont absorbés par la diode, ils créent des paires électron-trou
Le champ électrique élevé dans la diode peut alors accélérer ces paires électron-trou, provoquant un flot de porteurs de charge.
Différence entre Zener et Avalanche Breakdown
La façon dont la panne Zener et la panne d'avalanche se produisent est la principale différence entre les deux.
La panne de Zener se produit lorsqu'il y a un fort champ électrique dans la région d'appauvrissement de la diode
La rupture par avalanche se produit lorsque des électrons libres frappent des atomes dans la diode.
La quantité de dopage dans une diode détermine la tension de claquage de Zener, tandis que la largeur de la région d'appauvrissement détermine la tension de claquage d'avalanche.
Vidéo : DIODES ! Toutes sortes d'entre eux et comment ils fonctionnent
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Applications des diodes à avalanche
Dispositifs de protection et régulateurs de tension
La plupart du temps, les diodes à avalanche sont utilisées pour protéger les pièces électroniques sensibles contre les dommages causés par les hautes tensions ou les surtensions dans les circuits électroniques.
Ils peuvent également être utilisés pour contrôler la tension aux bornes d'une charge dans des circuits, où ils fonctionnent dans la région de claquage inverse.
Sources de bruit dans les circuits RF et micro-ondes
Dans les circuits RF et hyperfréquences, les diodes à avalanche sont souvent utilisées comme sources de bruit.
Pendant le processus de décomposition par avalanche, des électrons et des trous sont créés au hasard, ce qui produit un bruit blanc
Cela les rend utiles pour la communication et la guerre électronique.
Dispositifs de commutation à grande vitesse dans les circuits numériques
Dans les circuits numériques, les diodes à avalanche sont utilisées comme interrupteurs à grande vitesse qui peuvent s'allumer et s'éteindre en un temps très court, appelé picoseconde.
Pour cette raison, ils peuvent être utilisés pour des choses comme le transfert de données à grande vitesse et le traitement du signal numérique.
Détecteurs de photons à gain élevé dans les systèmes optoélectroniques
Les photodiodes à avalanche (APD) sont des dispositifs semi-conducteurs conçus pour fonctionner dans la région de claquage par avalanche lorsque les photons sont absorbés par la diode.
Les APD sont utilisés dans les systèmes de communication à fibre optique, les systèmes de télémétrie laser et d'autres applications à faible niveau de lumière en tant que détecteurs de photons à gain élevé.
Chute de tension dans les diodes à avalanche
Les diodes à avalanche sont conçues pour tirer parti de l'effet d'avalanche, elles ont donc une chute de tension faible mais perceptible lorsqu'elles tombent en panne.
Les diodes Zener, d'autre part, maintiennent toujours la tension au-dessus du point où elles tombent en panne.
La plupart des diodes à avalanche ont une chute de tension comprise entre 1 et 2 volts.
Coefficient de température de tension
Les diodes Zener ont un petit coefficient de température de tension négatif, tandis que les diodes à avalanche ont un petit coefficient de température de tension qui est positif.
Cela signifie que lorsque la température augmente, la chute de tension dans une diode à avalanche augmente légèrement, tandis que la chute de tension dans une diode Zener diminue à mesure que la température augmente.
Comparaison avec d'autres diodes
La plupart des diodes Schottky ont une chute de tension comprise entre 0,15 V et 0,45 V.
La tension directe pour les diodes au silicium est de 0,7 V et pour les diodes au germanium, elle est de 0,3 V.
Comme la chute de tension directe à travers une diode au silicium est presque constante à environ 0,7 V, tandis que le courant qui la traverse varie de quantités relativement importantes, une diode au silicium polarisée en direct peut être utilisée comme source de tension constante.
Avantages et inconvénients de l'utilisation de diodes à avalanche
Les diodes à avalanche présentent plusieurs avantages par rapport aux diodes normales. Elles durent plus longtemps que la plupart des diodes, ce qui les rend plus fiables lorsqu'elles sont utilisées dans certaines situations.
La jonction pn d'une diode à avalanche est conçue pour empêcher la concentration de courant et les points chauds qui en résultent afin que la diode ne soit pas endommagée par l'effet d'avalanche.
Les avantages
Les diodes à avalanche sont utiles dans un certain nombre de situations, telles que la protection des circuits, la production de bruit et la recherche de photons.
Ils présentent un niveau de sensibilité supérieur, des performances élevées et un temps de réponse rapide, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans ces applications.
Ils peuvent également protéger les circuits des tensions qui ne devraient pas être là, ce qui les rend utiles dans les systèmes électroniques.
Les désavantages
Mais il y a de mauvaises choses à propos de l'utilisation de diodes à avalanche auxquelles vous devriez penser.
Ceux-ci incluent le besoin d'une tension de fonctionnement beaucoup plus élevée, une sortie non linéaire causée par le processus d'avalanche, un niveau de bruit beaucoup plus élevé et la nécessité d'une polarisation inverse élevée pour fonctionner.
Les diodes à avalanche peuvent également ne pas fonctionner aussi bien que d'autres types de diodes, ce qui peut poser problème dans certaines situations.
Même si elles ont ces problèmes, les diodes à avalanche sont encore largement utilisées dans certaines situations en raison de leur fonctionnement.
Même si elles ne sont pas aussi fiables que d'autres types de diodes, elles sont utiles dans les systèmes électroniques car elles sont sensibles et réagissent rapidement.
Différence entre la diode à avalanche et la diode PIN
Les diodes à avalanche et les diodes PIN sont deux types de diodes à semi-conducteurs, mais elles fonctionnent de manière très différente.
Tension de fonctionnement
La tension de fonctionnement est une grande différence entre les deux types.
Les diodes à avalanche sont conçues pour fonctionner dans la région de claquage inverse, qui nécessite une tension plus élevée que la région de fonctionnement normal.
Les diodes PIN, en revanche, fonctionnent dans la région polarisée en direct, qui nécessite généralement moins de tension.
Il est donc préférable de dire que les diodes à avalanche ont besoin d'une tension plus élevée pour atteindre la région de claquage par avalanche que d'avoir besoin d'une tension de fonctionnement plus élevée.
Bruit
En raison de leur fonctionnement, les diodes à avalanche peuvent faire plus de bruit.
Mais ce niveau de bruit peut être abaissé en appliquant une tension dans le sens inverse de la tension de claquage.
Les diodes PIN, en revanche, sont généralement utilisées car elles font moins de bruit, mais elles peuvent quand même faire du bruit selon la façon dont elles sont utilisées.
Structure interne
Les diodes à avalanche ont une place à l'intérieur où les électrons se multiplient lorsqu'une tension inverse est appliquée de l'extérieur.
Cela rend l'amplification interne entre 10 et 100 fois plus grande.
D'autre part, les diodes PIN ont une région intrinsèque qui a une plus grande région d'appauvrissement et moins de capacité qu'une diode pn standard.
Cela signifie que les diodes PIN sont plus sensibles et répondent plus rapidement.
Exigences de tension
Les diodes à avalanche ont une tension de polarisation inverse beaucoup plus élevée, entre 100 et 200 volts pour le silicium.
La diode PIN, quant à elle, fonctionne à basse tension et convient aux appareils de faible puissance.
Dans l'ensemble, les diodes à avalanche et les diodes PIN sont fabriquées de manière similaire, mais leurs modes de fonctionnement différents signifient qu'elles sont utilisées dans des situations différentes.
Les diodes à avalanche peuvent être utilisées avec des tensions élevées et, dans les systèmes optoélectroniques, elles peuvent être utilisées comme détecteurs de photons à gain élevé.
D'autre part, les diodes PIN conviennent mieux aux applications à faible puissance et à haute fréquence qui nécessitent à la fois un faible bruit et une vitesse élevée.
Diodes d'avalanche à faible bruit
Les photodiodes à avalanche sont le nom correct des diodes à avalanche à faible bruit (APD).
Les APD sont des détecteurs à photodiode à semi-conducteur qui utilisent l'effet photoélectrique pour transformer la lumière en électricité. Ils sont très sensibles.
Leur rapport signal sur bruit (SNR) élevé, leur temps de réponse rapide, leur faible courant d'obscurité et leur sensibilité élevée les distinguent.
Applications des APD
Les APD sont utilisés pour de nombreuses choses différentes, telles que :
- Télémètres laser.
- Études de corrélation de photons.
- Systèmes de communication par fibre optique.
- Lidar.
- Scanners pour TEP ou tomographie par émission de positrons.
Circuit de polarisation à faible bruit
Le gain d'un APD est contrôlé par la tension appliquée à la jonction dans la direction opposée. Pour maintenir le gain stable et le niveau de bruit faible, cette tension doit être soigneusement contrôlée.
Pour ce faire, la tension de polarisation des APD peut être réalisée et contrôlée par un circuit de polarisation à faible bruit. Ce circuit utilise un convertisseur boost PWM avec une fréquence fixe et un faible bruit
Un microcontrôleur qui lit une thermistance compense la température.
Facteur de bruit excessif
Par rapport aux photodiodes PIN, les APD ont plus de bruit car les statistiques du processus d'avalanche provoquent des fluctuations de courant.
Le facteur de bruit excessif est un moyen de calculer la quantité de bruit supplémentaire d'un APD par rapport à un détecteur à bruit de tir limité.
Photodiodes à avalanche
Un détecteur de photodiode à semi-conducteur très sensible, une photodiode à avalanche (APD) utilise l'effet photoélectrique pour transformer la lumière en électricité.
L'APD fonctionne avec une polarisation inverse élevée, ce qui permet aux trous et aux électrons créés lorsqu'un photon ou une lumière le frappe de se multiplier comme des avalanches.
Cela permet de booster plusieurs fois le gain de la photodiode, lui conférant une large plage de sensibilité.
Comment fonctionne le processus de multiplication des avalanches dans les APD
Le processus d'avalanche commence lorsqu'un photon est absorbé et qu'un électron ou un trou est ionisé lorsqu'il heurte quelque chose.
Le champ électrique donne aux porteurs résultants suffisamment d'énergie pour fabriquer des porteurs secondaires par ionisation par impact.
Ce processus crée un flot de paires électron-trou, ce qui donne un signal plus fort que l'absorption directe seule.
Le gain de l'APD est égal au rapport du nombre total d'électrons et de trous réalisés par le processus d'avalanche au nombre de photons absorbés par le dispositif.
Avantages et inconvénients
Le principal avantage d'une photodiode à avalanche est qu'elle est très sensible et peut capter des signaux de bas niveau.
L'APD est plus sensible que les autres photodiodes à semi-conducteur et peut être utilisée dans des endroits où d'autres photodiodes peuvent ne pas être en mesure d'atteindre le même niveau de sensibilité.
Comparé à d'autres types de photodiodes, l'APD répond également plus rapidement et a moins de flux de courant lorsqu'il n'est pas utilisé.
Les APD ont cependant quelques problèmes.
- L'un des principaux problèmes d'un APD est que, par rapport aux autres photodiodes, il a besoin d'une tension plus élevée pour fonctionner.
- En raison de la multiplication des porteuses, les APD font également plus de bruit qu'ils ne le devraient.
- L'utilisation des bonnes techniques de conception et des bonnes conditions de fonctionnement peut réduire le bruit.
- Enfin, un APD n'a pas de sortie linéaire, ce qui peut le rendre plus difficile à utiliser dans certaines situations.
Cas d'utilisation
| Utilisé dans: | Description: |
|---|---|
| Régulateurs de tension | Les diodes à avalanche peuvent être utilisées pour contrôler la tension dans les circuits électroniques en fournissant une tension de référence stable. Ils peuvent être utilisés comme régulateur shunt pour maintenir la tension constante sur le circuit ou comme régulateur série pour maintenir la tension de sortie stable même si la tension entrante change. |
| Générateurs d'impulsions | Les diodes à avalanche peuvent être utilisées pour créer de courtes rafales de haute tension dans les générateurs d'impulsions. Lorsqu'un pic de tension se produit, la diode entre en panne d'avalanche et émet une impulsion aiguë avec un temps de montée rapide. Ceci est utile pour des choses comme le radar, qui ont besoin d'impulsions à haute fréquence. |
| Appareils à micro-ondes | Les diodes IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) et TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) utilisent des diodes à avalanche. Ces diodes envoient des signaux haute fréquence dans la gamme des micro-ondes. Ces signaux sont utilisés dans les systèmes radar, les systèmes de communication par satellite et d'autres applications haute fréquence. |
| Protection contre les surtensions | Les diodes à avalanche peuvent être utilisées dans les parasurtenseurs pour protéger les appareils électroniques des pointes de tension et des surtensions transitoires. Ils peuvent maintenir la tension à un certain niveau et empêcher l'appareil d'être endommagé par une haute tension. |
| Amplificateurs RF | Les amplificateurs de radiofréquence (RF) peuvent utiliser des diodes à avalanche pour produire des signaux RF de haute puissance. Dans ce cas, la diode entre dans la région de claquage par avalanche, ce qui fait augmenter rapidement le courant et produit un signal RF puissant. |
| Détecteurs de rayons X et gamma | Les diodes à avalanche peuvent être utilisées dans l'imagerie médicale et dans d'autres endroits comme détecteurs de rayons X et de rayons gamma. Les photons avec beaucoup d'énergie sont captés par la diode, qui envoie une impulsion de courant qui peut être utilisée pour mesurer l'énergie du rayonnement. |
Autres utilisations:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Conclusion
Alors que cet article touche à sa fin, il est clair que les diodes à avalanche sont des éléments importants de nombreux systèmes électroniques.
En raison de la façon dont ils sont fabriqués et de ce qu'ils peuvent faire, ce sont des outils utiles pour tout ingénieur.
Mais, comme toute autre technologie, l'utilisation de diodes à avalanche présente à la fois des avantages et des inconvénients, et il est important de les peser soigneusement dans toute application.
En tant qu'ingénieurs, nous recherchons toujours la technologie la plus récente et la meilleure pour nous aider à concevoir de meilleurs systèmes.
Mais il est également important de garder à l'esprit que les bases de l'électronique existent depuis longtemps et sont tout aussi importantes aujourd'hui qu'elles l'étaient alors.
Ainsi, que vous soyez un ingénieur expérimenté ou que vous débutiez, il est important de savoir comment fonctionnent les diodes à avalanche dans l'électronique moderne.
Ce faisant, vous serez mieux à même de concevoir des systèmes qui fonctionnent bien et qui sont fiables pour vos applications.
Même si la technologie évolue, les règles de base de l'électronique restent les mêmes.
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