Mérnökként tudja, milyen fontosak a diódák az elektronikus áramkörök működésében.
De tudsz a lavinadiódáról? A lavinadiódák eltérnek a hagyományos diódáktól, mivel olyan speciális funkciójuk van, amely lehetővé teszi számos különböző feladat elvégzését nagyfeszültségű alkalmazásokban.
Csatold hát be, és készülj elmerülni a lavinadiódák lenyűgöző világába!
A Avalanche Diode bemutatása
Formális meghatározás:
Általában szilíciumból készült félvezető áttörési dióda, amelyben a lavinatörés a teljes pn átmeneten keresztül történik, és a feszültségesés ekkor lényegében állandó és független az áramerősségtől; a két legfontosabb típus az IMPATT és a TRAPATT dióda.
A lavinadióda egy olyan félvezető dióda, amely egy bizonyos feszültség mellett egy lavina során lebomlik.
Ha a diódán lévő feszültség egy bizonyos érték fölé megy, lavinatörés történik.
Építkezés
A Zener-dióda és a lavinadióda ugyanúgy készül, de a lavinadióda adalékolási mennyisége eltér a Zener-diódáétól.
A lavinadióda csomópontja az áramkoncentrációt és az abból származó forró pontokat állítja meg, így a lavinahatás ne sértse meg a diódát.
A lavinadióda működési elve
A lavinadiódák a fordított leállási tartományban működnek, ahol nagy áramot tudnak szállítani anélkül, hogy megsérülnének.
A lavinadióda pn átmenete az áramkoncentrációt és az abból fakadó forró pontokat leállítja, így a lavinahatás ne sértse meg a diódát.
Ha fordított előfeszítő feszültséget kapcsolunk a lavinadiódára, az eléri a letörési feszültséget, és a lavinaletörési tartományba kerül, ahol nagy áramot tud szállítani anélkül, hogy megsérülne.
A lavina letörése akkor következik be, amikor a diódán lévő feszültség egy bizonyos értéknél magasabb, ami miatt az áram gyorsan megemelkedik.
A lavinaszaporodás több szabad elektront és iont eredményez, ami miatt nagy mennyiségű áram folyik át a készüléken.
A lavinadiódák típusai
Zener dióda
A Zener-dióda egy olyan típusú dióda, amely a Zener-letörés hatását mutatja, amikor a diódán lévő feszültség egy bizonyos szint fölé megy.
A diódán átívelő nagy elektromos tér a Zener-letörés hatását okozza, ami a lavinaletörés egy fajtája.
A Zener diódát leginkább a feszültség szabályozására, a túlfeszültség elleni védelemre és a zaj keltésére használják.
Lavina fotodióda
A lavina fotodióda egy olyan félvezető dióda, amely a lavina letörési régiójában működik.
Gyakran használják nagy fényerejű fotondetektorként gyenge megvilágítású alkalmazásokban, például száloptikai kommunikációs rendszerekben és képalkotó eszközökben.
Amikor a dióda fotonokat vesz fel, elektron-lyuk párokat hoznak létre
A diódában lévő erős elektromos mező felgyorsíthatja ezeket az elektron-lyuk párokat, töltéshordozók özönét okozva.
A Zener és az Avalanche Breakdown közötti különbség
A Zener- és a lavina-letörés módja a fő különbség a kettő között.
A Zener meghibásodása akkor következik be, amikor erős elektromos mező van a dióda kimerülési tartományában
A lavina letörése akkor következik be, amikor a szabad elektronok a diódában lévő atomokhoz ütköznek.
A diódában lévő adalékanyag mennyisége határozza meg a Zener áttörési feszültséget, míg a kimerülési tartomány szélessége a lavina áttörési feszültségét.
Videó: DIÓDÁK! Ezek minden fajtája és működésük
Tipp: Kapcsolja be a felirat gombot, ha szüksége van rá.
A lavinadiódák alkalmazásai
Védőeszközök és feszültségszabályozók
Legtöbbször lavinadiódákat használnak az érzékeny elektronikus alkatrészek megvédésére az elektronikus áramkörökben lévő nagyfeszültség vagy áramlökések által okozott károsodástól.
Használhatók a terhelés feszültségének szabályozására is az áramkörökben, ahol a fordított leállási tartományban működnek.
Zajforrások RF és mikrohullámú áramkörökben
Az RF és mikrohullámú áramkörökben gyakran lavinadiódákat használnak zajforrásként.
A lavinaletörés során véletlenszerűen elektronok és lyukak keletkeznek, ami fehér zajt kelt
Ez hasznossá teszi őket a kommunikációban és az elektronikus hadviselésben.
Nagy sebességű kapcsolóeszközök digitális áramkörökben
A digitális áramkörökben a lavinadiódákat nagy sebességű kapcsolóként használják, amelyek nagyon rövid idő alatt, úgynevezett pikoszekundumban tudnak ki- és bekapcsolni.
Emiatt olyan dolgokra használhatók, mint a nagy sebességű adatátvitel és a digitális jelfeldolgozás.
Nagy teljesítményű fotondetektorok az optoelektronikai rendszerekben
A lavina fotodiódák (APD) olyan félvezető eszközök, amelyek a lavina letörési tartományában működnek, amikor a dióda fotonokat nyel el.
Az APD-ket száloptikai kommunikációs rendszerekben, lézeres távolságmérő rendszerekben és más alacsony fényszintű alkalmazásokban használják nagy erősítésű fotondetektorokként.
Feszültségesés lavinadiódákban
A lavinadiódákat úgy tervezték, hogy kihasználják a lavinaeffektust, így leromláskor kicsi, de észrevehető feszültségesésük van.
A Zener-diódák viszont mindig az elromlási pont felett tartják a feszültséget.
A legtöbb lavinadióda feszültségesése 1 és 2 volt között van.
A feszültség hőmérsékleti együtthatója
A Zener diódák kis hőmérsékleti együtthatója negatív, míg az Avalanche diódák kis hőmérsékleti együtthatója pozitív.
Ez azt jelenti, hogy a hőmérséklet emelkedésével a lavinadióda feszültségesése kissé megemelkedik, míg a Zener-diódák feszültségesése csökken, ha a hőmérséklet emelkedik.
Összehasonlítás más diódákkal
A legtöbb Schottky-dióda feszültségesése 0,15 V és 0,45 V között van.
A szilíciumdiódák előremenő feszültsége 0,7 V, a germánium diódáké pedig 0,3 V.
Mivel a szilíciumdiódán az előremenő feszültségesés majdnem állandó, körülbelül 0,7 V, miközben a rajta áthaladó áram viszonylag nagy mértékben változik, az előre előfeszített szilíciumdióda állandó feszültségű forrásként használható.
A lavinadiódák használatának előnyei és hátrányai
A lavinadiódák számos előnnyel rendelkeznek a normál diódákkal szemben. Hosszabb élettartamúak, mint a legtöbb dióda, ami bizonyos helyzetekben megbízhatóbbá teszi őket.
A lavinadióda pn átmenetét úgy tervezték, hogy megakadályozza az áramkoncentrációt és az ebből eredő forró pontokat, hogy a diódát ne sértse meg a lavinahatás.
Az előnyök
A lavinadiódák számos helyzetben hasznosak, például áramkörök védelmében, zajkeltéskor és fotonok megtalálásában.
Nagyobb érzékenységűek, nagy teljesítményűek és gyors válaszidővel rendelkeznek, így ideálisak ezekben az alkalmazásokban való használatra.
Megvédhetik az áramköröket olyan feszültségektől is, amelyeknek nem kellene ott lenniük, ami hasznossá teszi őket az elektronikus rendszerekben.
A hátrányok
De van néhány rossz dolog a lavinadiódák használatában, amelyekre gondolni kell.
Ezek közé tartozik a sokkal nagyobb üzemi feszültség, a lavinafolyamat által okozott nemlineáris kimenet, a sokkal magasabb zajszint és a nagy fordított előfeszítés szükségessége a működéshez.
Előfordulhat, hogy a lavinadiódák nem működnek olyan jól, mint más típusú diódák, ami bizonyos helyzetekben problémát jelenthet.
Annak ellenére, hogy vannak ilyen problémák, a lavinadiódákat működésük miatt továbbra is széles körben használják bizonyos helyzetekben.
Annak ellenére, hogy nem olyan megbízhatóak, mint más típusú diódák, hasznosak az elektronikus rendszerekben, mivel érzékenyek és gyorsan reagálnak.
Különbség a lavina dióda és a PIN dióda között
A lavinadiódák és a PIN-diódák egyaránt félvezető diódák, de nagyon eltérő módon működnek.
Üzemi feszültség
A működési feszültség nagy különbség a két típus között.
A lavinadiódák a fordított leállási tartományban működnek, amelynek nagyobb feszültségre van szüksége, mint a normál működési tartományban.
A PIN-diódák viszont az előrefeszített tartományban működnek, amely általában kevesebb feszültséget igényel.
Tehát jobb azt mondani, hogy a lavinadiódáknak nagyobb feszültségre van szükségük ahhoz, hogy elérjék a lavina letörési tartományt, mint azt, hogy nagyobb üzemi feszültségre van szükségük.
Zaj
Működésük miatt a lavinadiódák több zajt okozhatnak.
De ez a zajszint csökkenthető az áttörési feszültség ellentétes irányú feszültségének alkalmazásával.
Ezzel szemben a PIN-diódákat általában azért használják, mert kevesebb zajt adnak, de a használatuktól függően mégis okozhatnak némi zajt.
Belső szerkezet
A lavinadiódák belsejében van egy hely, ahol az elektronok megszaporodnak, ha kívülről fordított feszültséget alkalmaznak.
Ez a belső erősítést 10-100-szor nagyobbra teszi.
Másrészt a PIN-diódáknak van egy belső tartománya, amelynek nagyobb a kimerülési tartománya és kisebb a kapacitása, mint a szabványos pn-diódák.
Ez azt jelenti, hogy a PIN-diódák érzékenyebbek és gyorsabban reagálnak.
Feszültségkövetelmények
A lavinadiódák fordított előfeszítési feszültsége sokkal magasabb, a szilícium esetében 100 és 200 volt között van.
A PIN-dióda viszont alacsony feszültségen működik, és jó az alacsony fogyasztású készülékekhez.
Összességében a lavinadiódák és a PIN-diódák hasonló módon készülnek, de eltérő működési módjuk miatt eltérő helyzetekben használják őket.
A lavinadiódák nagyfeszültségűek, optoelektronikai rendszerekben pedig nagy erősítésű fotondetektorokként használhatók.
Másrészt a PIN-diódák jobbak az alacsony fogyasztású, nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz, amelyeknek alacsony zajszintre és nagy sebességre van szükségük.
Alacsony zajszintű lavinadiódák
A lavina fotodiódák az alacsony zajszintű lavinadiódák (APD) helyes neve.
Az APD-k félvezető fotodióda detektorok, amelyek fotoelektromos effektust használnak a fény elektromos árammá alakítására. Nagyon érzékenyek.
Magas jel-zaj arányuk (SNR), gyors reakcióidő, alacsony sötétáram és nagy érzékenységük emeli ki őket.
Az APD-k alkalmazásai
Az APD-ket sok különböző dologra használják, például:
- Lézeres távolságmérők.
- Fotonkorrelációs vizsgálatok.
- Rendszerek száloptikával való kommunikációhoz.
- Lidar.
- Szkennerek PET-hez vagy pozitronemissziós tomográfiához.
Alacsony zajszintű előfeszítő áramkör
Az APD erősítését az a feszültség szabályozza, amely a csomóponton az ellenkező irányban kerül. Az erősítés állandó és a zajszint alacsony szinten tartásához ezt a feszültséget gondosan ellenőrizni kell.
Ehhez az APD-k előfeszítési feszültségét alacsony zajszintű előfeszítő áramkörrel lehet előállítani és szabályozni. Ez az áramkör fix frekvenciájú és alacsony zajszintű PWM boost konvertert használ
A termisztort leolvasó mikrokontroller kompenzálja a hőmérsékletet.
Túlzott zajfaktor
A PIN fotodiódákhoz képest az APD-k zajosabbak, mivel a lavinafolyamat statisztikái áramingadozásokat okoznak.
A túlzott zajtényező segítségével kiszámítható, hogy mennyivel nagyobb a zaj egy APD, mint egy lövészaj-korlátozott érzékelő.
Lavina fotodiódák
Egy nagyon érzékeny félvezető fotodióda detektor, egy lavina fotodióda (APD) fotoelektromos effektust használ a fény elektromos árammá alakítására.
Az APD nagy fordított előfeszítéssel működik, ami lehetővé teszi, hogy a foton vagy fény becsapódásakor keletkező lyukak és elektronok lavinaszerűen szaporodjanak.
Ez lehetővé teszi a fotodióda erősítésének többszöri növelését, széles érzékenységi tartományt biztosítva.
Hogyan működik a lavinaszorzás folyamata az APD-kben
A lavinafolyamat akkor kezdődik, amikor egy foton elnyelődik, és egy elektron vagy egy lyuk ionizálódik, amikor valamibe ütközik.
Az elektromos tér elegendő energiát ad a keletkező hordozóknak ahhoz, hogy ütési ionizációval másodlagos hordozókká váljanak.
Ez a folyamat elektron-lyuk párok özönét hozza létre, ami erősebb jelet ad, mint a közvetlen abszorpció önmagában.
Az APD nyeresége megegyezik a lavinafolyamat során keletkezett elektronok és lyukak teljes számának az eszköz által elnyelt fotonok számához viszonyított arányával.
Előnyök és hátrányok
A lavina fotodióda fő előnye, hogy nagyon érzékeny és képes felvenni az alacsony szintű jeleket.
Az APD érzékenyebb, mint más félvezető fotodiódák, és olyan helyeken is használható, ahol más fotodiódák esetleg nem képesek elérni ugyanazt az érzékenységi szintet.
Más típusú fotodiódákkal összehasonlítva az APD gyorsabban reagál, és kisebb az áramerőssége, amikor nem használják.
Az APD-kkel azonban vannak problémák.
- Az APD egyik fő problémája az, hogy más fotodiódákhoz képest nagyobb feszültségre van szüksége a működéséhez.
- A vivőszaporítás miatt az APD-k is több zajt adnak, mint kellene.
- A megfelelő tervezési technikák és működési feltételek alkalmazásával csökkenthető a zaj.
- Végül az APD-nek nincs lineáris kimenete, ami bizonyos helyzetekben megnehezítheti a használatát.
Használati esetek
| Használt: | Leírás: |
|---|---|
| Feszültségszabályozók | A lavinadiódák az elektronikus áramkörök feszültségének szabályozására használhatók stabil referenciafeszültség biztosításával. Használhatók söntszabályozóként, hogy állandó feszültséget tartsanak az áramkörön, vagy soros szabályozóként, hogy a kimeneti feszültséget akkor is stabilan tartsák, ha a bejövő feszültség változik. |
| Impulzusgenerátorok | A lavinadiódák használhatók rövid, nagyfeszültségű kitörések létrehozására impulzusgenerátorokban. Amikor feszültségcsúcs következik be, a dióda lavinatörésbe megy, és éles impulzust ad, gyors emelkedési idővel. Ez olyan dolgoknál hasznos, mint például a radar, amelyeknek nagy frekvenciájú impulzusokra van szükségük. |
| Mikrohullámú készülékek | Az IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) és a TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) diódák lavinadiódákat használnak. Ezek a diódák nagyfrekvenciás jeleket küldenek ki a mikrohullámú tartományban. Ezeket a jeleket radarrendszerekben, műholdas kommunikációs rendszerekben és más nagyfrekvenciás alkalmazásokban használják. |
| Túlfeszültség-védelem | A lavinadiódák túlfeszültségvédőkben használhatók az elektronikus eszközök feszültségugrások és tranziens túlfeszültségek elleni védelmére. Egy bizonyos szintre szoríthatják a feszültséget, és megóvják a készüléket a magas feszültségtől. |
| RF erősítők | A rádiófrekvenciás (RF) erősítők lavinadiódákat használhatnak nagy teljesítményű RF jelek előállítására. Ebben az esetben a dióda a lavina letörési tartományba kerül, ami az áram gyors emelkedését és erős RF jelet eredményez. |
| Röntgen- és gammasugárdetektorok | A lavinadiódák az orvosi képalkotásban és más helyeken is használhatók röntgen- és gammasugár-detektorként. A nagy energiájú fotonokat felveszi a dióda, amely áramimpulzust bocsát ki, amellyel a sugárzás energiája mérhető. |
Egyéb felhasználás:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Következtetés
Ahogy ez a cikk a végéhez közeledik, egyértelmű, hogy a lavinadiódák számos elektronikus rendszer fontos részei.
Elkészítésük és képességeik miatt minden mérnök számára hasznos eszközök.
De mint minden más technológiának, a lavinadiódák használatának is vannak előnyei és hátrányai, és fontos, hogy ezeket gondosan mérlegeljük minden alkalmazásnál.
Mérnökként mindig a legújabb és legjobb technológiát keressük, amely segít jobb rendszerek tervezésében.
De az is fontos, hogy megtartsuk szem előtt tartva, hogy az elektronika alapjai már régóta léteznek, és ma is ugyanolyan fontosak, mint akkoriban.
Tehát, akár tapasztalt mérnök, akár csak most kezdi, fontos tudni, hogyan működnek a lavinadiódák a modern elektronikában.
Ezzel jobban tud majd olyan rendszereket tervezni, amelyek jól működnek és megbízhatóak az alkalmazásaihoz.
Bár a technológia változik, az elektronika alapvető szabályai ugyanazok maradnak.
Oszd meg…
