Come ingegnere, sai quanto sono importanti i diodi per il modo in cui funzionano i circuiti elettronici.
Ma conosci il diodo da valanga? I diodi a valanga sono diversi dai normali diodi perché hanno una caratteristica speciale che consente loro di svolgere una serie di compiti diversi nelle applicazioni ad alta tensione.
Quindi allacciati le cinture e preparati a tuffarti nell'affascinante mondo dei diodi da valanga!
Introduzione al diodo da valanga
Definizione formale:
Un diodo di rottura a semiconduttore, solitamente in silicio, in cui la rottura a valanga si verifica attraverso l'intera giunzione pn e la caduta di tensione è quindi essenzialmente costante e indipendente dalla corrente; i due tipi più importanti sono i diodi IMPATT e TRAPATT.
Un diodo a valanga è un tipo di diodo a semiconduttore che viene fatto esplodere in una valanga a una certa tensione.
Quando la tensione ai capi di un diodo supera un certo valore, si verifica un guasto a valanga.
Costruzione
Un diodo Zener e un diodo a valanga sono entrambi realizzati allo stesso modo, ma la quantità di drogaggio in un diodo a valanga è diversa da quella in un diodo Zener.
La giunzione di un diodo a valanga è realizzata per fermare la concentrazione di corrente e i punti caldi che ne derivano, in modo che l'effetto valanga non danneggi il diodo.
Principio di funzionamento del diodo da valanga
I diodi a valanga sono fatti funzionare nella regione di rottura inversa, dove possono trasportare una grande corrente senza essere danneggiati.
La giunzione pn di un diodo a valanga è realizzata per arrestare la concentrazione di corrente e i punti caldi che ne derivano, in modo che l'effetto valanga non danneggi il diodo.
Quando una tensione di polarizzazione inversa viene applicata al diodo a valanga, raggiunge la tensione di rottura e va nella regione di rottura a valanga, dove può trasportare una grande corrente senza essere danneggiata.
La rottura della valanga si verifica quando la tensione attraverso il diodo è superiore a un certo valore, il che fa aumentare rapidamente la corrente.
La moltiplicazione a valanga rende più elettroni e ioni liberi, il che fa fluire una grande quantità di corrente attraverso il dispositivo.
Tipi di diodi a valanga
Diodo Zener
Il diodo Zener è un tipo di diodo che mostra l'effetto di rottura Zener quando la tensione ai capi del diodo supera un certo livello.
Un campo elettrico elevato attraverso il diodo provoca l'effetto di rottura Zener, che è un tipo di rottura a valanga.
Il diodo Zener viene utilizzato principalmente per controllare la tensione, proteggere da sovratensioni e produrre rumore.
Fotodiodo da valanga
Il fotodiodo a valanga è un tipo di diodo a semiconduttore che viene fatto funzionare nella regione di rottura a valanga.
Viene spesso utilizzato come rilevatore di fotoni ad alto guadagno in applicazioni in condizioni di scarsa illuminazione come sistemi di comunicazione in fibra ottica e dispositivi di imaging.
Quando i fotoni vengono assorbiti dal diodo, creano coppie elettrone-lacuna
L'elevato campo elettrico nel diodo può quindi accelerare queste coppie elettrone-lacuna, provocando un flusso di portatori di carica.
Differenza tra Zener e Avalanche Breakdown
Il modo in cui si verificano la rottura di Zener e la rottura della valanga è la principale differenza tra i due.
La rottura dello Zener si verifica quando c'è un forte campo elettrico nella regione di svuotamento del diodo
La rottura della valanga si verifica quando gli elettroni liberi colpiscono gli atomi nel diodo.
La quantità di drogaggio in un diodo determina la tensione di rottura di Zener, mentre l'ampiezza della regione di esaurimento determina la tensione di rottura a valanga.
Video: DIODI! Tutti i tipi di loro e come funzionano
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Applicazioni dei diodi a valanga
Dispositivi di protezione e regolatori di tensione
La maggior parte delle volte, i diodi a valanga vengono utilizzati per proteggere le parti elettroniche sensibili dai danni causati da sovratensioni o picchi di corrente nei circuiti elettronici.
Possono anche essere utilizzati per controllare la tensione attraverso un carico nei circuiti, dove lavorano nella regione di rottura inversa.
Sorgenti di rumore nei circuiti RF e microonde
Nei circuiti RF e a microonde, i diodi a valanga sono spesso usati come sorgenti di rumore.
Durante il processo di rottura della valanga, gli elettroni e le lacune vengono prodotti in modo casuale, il che produce rumore bianco
Questo li rende utili per la comunicazione e la guerra elettronica.
Dispositivi di commutazione ad alta velocità nei circuiti digitali
Nei circuiti digitali, i diodi a valanga vengono utilizzati come interruttori ad alta velocità che possono accendersi e spegnersi in un tempo molto breve, chiamato picosecondo.
Per questo motivo, possono essere utilizzati per cose come il trasferimento di dati ad alta velocità e l'elaborazione del segnale digitale.
Rilevatori di fotoni ad alto guadagno nei sistemi optoelettronici
I fotodiodi da valanga (APD) sono dispositivi a semiconduttore che vengono fatti funzionare nella regione di rottura della valanga quando i fotoni vengono assorbiti dal diodo.
Gli APD sono utilizzati nei sistemi di comunicazione in fibra ottica, nei sistemi di rilevamento laser e in altre applicazioni a basso livello di luce come rilevatori di fotoni ad alto guadagno.
Caduta di tensione nei diodi a valanga
I diodi a valanga sono progettati per sfruttare l'effetto valanga, quindi hanno una piccola ma evidente caduta di tensione quando si rompono.
I diodi Zener, invece, mantengono sempre la tensione al di sopra del punto in cui si guastano.
La maggior parte dei diodi a valanga ha una caduta di tensione compresa tra 1 e 2 volt.
Coefficiente di temperatura della tensione
I diodi Zener hanno un piccolo coefficiente di temperatura della tensione che è negativo, mentre i diodi Avalanche hanno un piccolo coefficiente di temperatura della tensione che è positivo.
Ciò significa che all'aumentare della temperatura, la caduta di tensione in un diodo a valanga aumenterà leggermente, mentre la caduta di tensione in un diodo Zener diminuirà all'aumentare della temperatura.
Confronto con altri diodi
La maggior parte dei diodi Schottky ha una caduta di tensione compresa tra 0,15 V e 0,45 V.
La tensione diretta per i diodi al silicio è di 0,7 V e per i diodi al germanio è di 0,3 V.
Poiché la caduta di tensione diretta attraverso un diodo al silicio è quasi costante a circa 0,7 V, mentre la corrente che lo attraversa varia di quantità relativamente elevate, un diodo al silicio polarizzato direttamente può essere utilizzato come sorgente di tensione costante.
Vantaggi e svantaggi dell'utilizzo dei diodi a valanga
I diodi a valanga presentano diversi vantaggi rispetto ai normali diodi. Durano più a lungo della maggior parte dei diodi, il che li rende più affidabili se utilizzati in determinate situazioni.
La giunzione pn di un diodo a valanga è progettata per impedire la concentrazione di corrente e i punti caldi risultanti in modo che il diodo non venga danneggiato dall'effetto valanga.
I vantaggi
I diodi a valanga sono utili in una serie di situazioni, come la protezione dei circuiti, la produzione di rumore e la ricerca di fotoni.
Presentano un maggiore livello di sensibilità, prestazioni elevate e tempi di risposta rapidi, rendendoli ideali per l'uso in queste applicazioni.
Possono anche proteggere i circuiti da tensioni che non dovrebbero esserci, il che li rende utili nei sistemi elettronici.
Gli svantaggi
Ma ci sono alcuni aspetti negativi nell'uso dei diodi a valanga a cui dovresti pensare.
Questi includono la necessità di una tensione operativa molto più elevata, un'uscita non lineare causata dal processo a valanga, un livello di rumore molto più elevato e la necessità di un'elevata polarizzazione inversa per funzionare.
I diodi a valanga potrebbero anche non funzionare così come altri tipi di diodi, il che potrebbe essere un problema in alcune situazioni.
Anche se hanno questi problemi, i diodi a valanga sono ancora ampiamente utilizzati in determinate situazioni a causa del loro funzionamento.
Anche se potrebbero non essere affidabili come altri tipi di diodi, sono utili nei sistemi elettronici perché sono sensibili e rispondono rapidamente.
Differenza tra diodo a valanga e diodo PIN
I diodi a valanga e i diodi PIN sono entrambi tipi di diodi a semiconduttore, ma funzionano in modi molto diversi.
Tensione di funzionamento
La tensione di funzionamento è una grande differenza tra i due tipi.
I diodi a valanga sono fatti funzionare nella regione di rottura inversa, che richiede una tensione maggiore rispetto alla normale regione operativa.
I diodi PIN, d'altra parte, lavorano nella regione polarizzata in avanti, che di solito richiede meno tensione.
Quindi, è meglio dire che i diodi a valanga necessitano di una tensione più elevata per raggiungere la regione di rottura della valanga piuttosto che una tensione operativa più elevata.
Rumore
A causa di come funzionano, i diodi a valanga possono fare più rumore.
Ma questo livello di rumore può essere abbassato applicando una tensione nella direzione opposta alla tensione di rottura.
I diodi PIN, d'altra parte, vengono solitamente utilizzati perché fanno meno rumore, ma possono comunque fare rumore a seconda di come vengono utilizzati.
Struttura interna
I diodi a valanga hanno un posto all'interno dove gli elettroni si moltiplicano quando viene applicata una tensione inversa dall'esterno.
Ciò aumenta l'amplificazione interna tra 10 e 100 volte.
D'altra parte, i diodi PIN hanno una regione intrinseca che ha una regione di svuotamento maggiore e una minore capacità rispetto a un diodo pn standard.
Ciò significa che i diodi PIN sono più sensibili e rispondono più rapidamente.
Requisiti di tensione
I diodi a valanga hanno una tensione di polarizzazione inversa molto più alta, tra 100 e 200 volt per il silicio.
Il diodo PIN, d'altra parte, funziona a bassa tensione ed è adatto per dispositivi a bassa potenza.
Nel complesso, i diodi a valanga e i diodi PIN sono realizzati in modi simili, ma i loro diversi modi di lavorare significano che vengono utilizzati in situazioni diverse.
I diodi a valanga possono essere utilizzati con tensioni elevate e, nei sistemi optoelettronici, possono essere utilizzati come rivelatori di fotoni ad alto guadagno.
D'altra parte, i diodi PIN sono migliori per applicazioni a bassa potenza e ad alta frequenza che richiedono sia basso rumore che alta velocità.
Diodi a valanga a basso rumore
I fotodiodi a valanga sono il nome corretto per i diodi a valanga a basso rumore (APD).
Gli APD sono rilevatori di fotodiodi a semiconduttore che utilizzano l'effetto fotoelettrico per trasformare la luce in elettricità. Sono molto sensibili.
Il loro elevato rapporto segnale-rumore (SNR), la rapida risposta temporale, la bassa corrente di buio e l'elevata sensibilità sono ciò che li distingue.
Applicazioni degli APD
Gli APD sono usati per molte cose diverse, come:
- Telemetri laser.
- Studi di correlazione fotonica.
- Sistemi per la comunicazione con fibra ottica.
- Lidar.
- Scanner per PET, o tomografia ad emissione di positroni.
Circuito di polarizzazione a basso rumore
Il guadagno di un APD è controllato dalla tensione che viene applicata attraverso la giunzione nella direzione opposta. Per mantenere il guadagno costante e il livello di rumore basso, questa tensione deve essere attentamente controllata.
Per fare ciò, la tensione di polarizzazione per gli APD può essere creata e controllata da un circuito di polarizzazione a basso rumore. Questo circuito utilizza un convertitore boost PWM con frequenza fissa e basso rumore
Un microcontrollore che legge un termistore compensa la temperatura.
Fattore di rumore in eccesso
Rispetto ai fotodiodi PIN, gli APD hanno più rumore perché le statistiche del processo a valanga causano fluttuazioni di corrente.
Il fattore di rumore in eccesso è un modo per calcolare quanto più rumore ha un APD rispetto a un rilevatore limitato al rumore di tiro.
Fotodiodi a valanga
Un rivelatore di fotodiodo a semiconduttore altamente sensibile, un fotodiodo a valanga (APD) utilizza l'effetto fotoelettrico per trasformare la luce in elettricità.
L'APD funziona con un'elevata polarizzazione inversa, che consente ai buchi e agli elettroni prodotti quando un fotone o una luce lo colpisce di moltiplicarsi come valanghe.
Ciò consente di aumentare più volte il guadagno del fotodiodo, conferendogli un'ampia gamma di sensibilità.
Come funziona il processo di moltiplicazione delle valanghe negli APD
Il processo a valanga inizia quando un fotone viene assorbito e un elettrone o una lacuna vengono ionizzati quando colpiscono qualcosa.
Il campo elettrico fornisce ai portatori risultanti energia sufficiente per creare portatori secondari attraverso la ionizzazione per impatto.
Questo processo crea un flusso di coppie elettrone-lacuna, che fornisce un segnale più forte del solo assorbimento diretto.
Il guadagno dell'APD è pari al rapporto tra il numero totale di elettroni e lacune prodotte dal processo a valanga e il numero di fotoni assorbiti dal dispositivo.
Vantaggi e svantaggi
Il vantaggio principale di un fotodiodo a valanga è che è molto sensibile e può captare segnali di basso livello.
L'APD è più sensibile di altri fotodiodi a semiconduttore e può essere utilizzato in luoghi in cui altri fotodiodi potrebbero non essere in grado di raggiungere lo stesso livello di sensibilità.
Rispetto ad altri tipi di fotodiodi, l'APD risponde anche più velocemente e ha un flusso di corrente inferiore quando non viene utilizzato.
Gli APD hanno alcuni problemi, però.
- Uno dei problemi principali con un APD è che, rispetto ad altri fotodiodi, ha bisogno di una tensione maggiore per funzionare.
- A causa della moltiplicazione dei portatori, anche gli APD fanno più rumore di quanto dovrebbero.
- L'uso delle giuste tecniche di progettazione e condizioni operative può ridurre il rumore.
- Infine, un APD non ha un output lineare, il che può renderlo più difficile da usare in alcune situazioni.
Casi d'uso
| Usato in: | Descrizione: |
|---|---|
| Regolatori di tensione | I diodi a valanga possono essere utilizzati per controllare la tensione nei circuiti elettronici fornendo una tensione di riferimento stabile. Possono essere utilizzati come regolatore shunt per mantenere costante la tensione attraverso il circuito o come regolatore serie per mantenere stabile la tensione di uscita anche se la tensione in ingresso cambia. |
| Generatori di impulsi | I diodi a valanga possono essere utilizzati per creare brevi scariche di alta tensione nei generatori di impulsi. Quando si verifica un picco di tensione, il diodo va in rottura a valanga e produce un impulso acuto con un tempo di salita rapido. Questo è utile per cose come i radar, che necessitano di impulsi ad alta frequenza. |
| Dispositivi a microonde | I diodi IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) e TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) utilizzano diodi a valanga. Questi diodi inviano segnali ad alta frequenza nel campo delle microonde. Questi segnali vengono utilizzati nei sistemi radar, nei sistemi di comunicazione satellitare e in altre applicazioni ad alta frequenza. |
| Protezione contro le sovratensioni | I diodi a valanga possono essere utilizzati nei dispositivi di protezione contro le sovratensioni per proteggere i dispositivi elettronici da picchi di tensione e sovratensioni transitorie. Possono bloccare la tensione a un certo livello e impedire che il dispositivo venga danneggiato dall'alta tensione. |
| Amplificatori RF | Gli amplificatori a radiofrequenza (RF) possono utilizzare diodi a valanga per produrre segnali RF ad alta potenza. In questo caso, il diodo entra nella regione di rottura della valanga, che fa aumentare rapidamente la corrente e produce un forte segnale RF. |
| Rilevatori di raggi X e raggi gamma | I diodi a valanga possono essere utilizzati nell'imaging medico e in altri luoghi come rilevatori di raggi X e raggi gamma. I fotoni con molta energia vengono raccolti dal diodo, che emette un impulso di corrente che può essere utilizzato per misurare l'energia della radiazione. |
Altri usi:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Conclusione
Alla fine di questo articolo, è chiaro che i diodi a valanga sono parti importanti di molti sistemi elettronici.
Per come sono fatti e per cosa possono fare, sono strumenti utili per qualsiasi ingegnere.
Ma, come qualsiasi altra tecnologia, l'utilizzo dei diodi a valanga presenta sia vantaggi che svantaggi ed è importante valutarli attentamente in qualsiasi applicazione.
Come ingegneri, siamo sempre alla ricerca della tecnologia più nuova e migliore per aiutarci a progettare sistemi migliori.
Ma è anche importante mantenere in mente che le basi dell'elettronica esistono da molto tempo e sono importanti oggi come lo erano allora.
Quindi, che tu sia un ingegnere esperto o che abbia appena iniziato, è importante sapere come funzionano i diodi a valanga nell'elettronica moderna.
In questo modo, sarai maggiormente in grado di progettare sistemi che funzionino bene e siano affidabili per le tue applicazioni.
Anche se la tecnologia cambia, le regole di base dell'elettronica rimangono le stesse.
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