エンジニアであれば、電子回路の動作にとってダイオードがいかに重要であるかを知っています。
しかし、アバランシェダイオードについて知っていますか? アバランシェ ダイオードは、高電圧アプリケーションでさまざまなタスクを実行できる特別な機能を備えているため、通常のダイオードとは異なります。
バックルを締めて、魅力的なアバランチ ダイオードの世界に飛び込む準備をしましょう。
アバランシェ ダイオードの紹介
正式な定義:
通常はシリコンでできている半導体降伏ダイオード。アバランシェ降伏が pn 接合全体で発生し、電圧降下は本質的に一定で、電流に依存しません。最も重要な 2 つのタイプは、IMPATT および TRAPATT ダイオードです。
アバランシェ ダイオードは、特定の電圧でアバランシェでブレークダウンするタイプの半導体ダイオードです。
ダイオード両端の電圧が特定の値を超えると、アバランシェ ブレークダウンが発生します。
工事
ツェナー ダイオードとアバランシェ ダイオードは同じ方法で作られますが、アバランシェ ダイオードのドーピング量はツェナー ダイオードとは異なります。
アバランシェ ダイオードの接合部は、アバランシェ効果によってダイオードが損傷を受けないように、電流の集中とそこから発生するホット スポットを停止するように作られています。
アバランシェダイオードの動作原理
アバランシェ ダイオードは、損傷することなく大電流を流すことができる逆方向降伏領域で動作するように作られています。
アバランシェ ダイオードの pn 接合は、アバランシェ効果によってダイオードが損傷を受けないように、電流の集中とそこから発生するホット スポットを停止するように作られています。
アバランシェ ダイオードに逆バイアス電圧が印加されると、降伏電圧に達し、アバランシェ降伏領域に入り、損傷することなく大電流を流すことができます。
アバランシェ降伏は、ダイオード両端の電圧が特定の値よりも高くなると発生し、電流が急速に上昇します。
アバランシェ増倍は、より多くの自由電子とイオンを生成し、デバイスに大量の電流が流れます。
アバランシェダイオードの種類
ツェナーダイオード
ツェナー ダイオードは、ダイオードの両端の電圧が特定のレベルを超えると、ツェナー ブレークダウン効果を示すタイプのダイオードです。
ダイオード全体の高電界は、アバランシェ降伏の一種であるツェナー降伏効果を引き起こします。
ツェナー ダイオードは主に、電圧を制御し、サージから保護し、ノイズを発生させるために使用されます。
アバランシェフォトダイオード
アバランシェ フォトダイオードは、アバランシェ ブレークダウン領域で機能する半導体ダイオードの一種です。
これは、光ファイバー通信システムやイメージング デバイスなどの微光アプリケーションで高ゲインの光子検出器としてよく使用されます。
光子がダイオードに取り込まれると、電子と正孔のペアが生成されます
ダイオード内の高電界は、これらの電子正孔ペアを高速化し、電荷キャリアのフラッドを引き起こします。
ツェナーと雪崩の内訳の違い
ツェナー降伏となだれ降伏が起こる方法は、2 つの主な違いです。
ツェナー降伏は、ダイオードの空乏領域に強い電界がかかると発生します
なだれ降伏は、自由電子がダイオード内の原子に衝突したときに発生します。
ダイオードのドーピング量によってツェナー降伏電圧が決まり、空乏領域の幅によってアバランシェ降伏電圧が決まります。
ビデオ: ダイオード! それらのすべての種類とその仕組み
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アバランシェダイオードの応用
保護装置と電圧レギュレータ
ほとんどの場合、アバランシェ ダイオードは、電子回路の高電圧または電流サージによる損傷から敏感な電子部品を保護するために使用されます。
また、逆ブレークダウン領域で動作する回路の負荷全体の電圧を制御するためにも使用できます。
RF およびマイクロ波回路のノイズ源
RF およびマイクロ波回路では、アバランシェ ダイオードがノイズ源としてよく使用されます。
アバランシェ降伏プロセス中に、電子と正孔がランダムに生成され、ホワイト ノイズが発生します。
これにより、通信や電子戦に役立ちます。
デジタル回路の高速スイッチングデバイス
デジタル回路では、ピコ秒と呼ばれる非常に短い時間でオン/オフできる高速スイッチとしてアバランシェ ダイオードが使用されます。
このため、高速データ転送やデジタル信号処理などに使用できます。
オプトエレクトロニクス システムの高ゲイン光子検出器
アバランシェ フォト ダイオード (APD) は、フォトンがダイオードに吸収されると、アバランシェ ブレークダウン領域で動作するように作られている半導体デバイスです。
APD は、光ファイバー通信システム、レーザー測距システム、およびその他の微弱光レベルのアプリケーションで、高ゲインの光子検出器として使用されます。
アバランシェ ダイオードの電圧降下
アバランシェ ダイオードは、アバランシェ効果を利用するように設計されているため、ブレークダウンすると、小さいながらも顕著な電圧降下が生じます。
一方、ツェナー ダイオードは、常にブレークダウンするポイントよりも高い電圧を維持します。
ほとんどのアバランシェ ダイオードの電圧降下は 1 ～ 2 ボルトです。
電圧の温度係数
ツェナー ダイオードの電圧の小さな温度係数は負であるのに対し、アバランシェ ダイオードの電圧の小さな温度係数は正です。
これは、温度が上昇すると、アバランシェ ダイオードの電圧降下がわずかに上昇するのに対し、ツェナー ダイオードの電圧降下は温度が上昇すると低下することを意味します。
他のダイオードとの比較
ほとんどのショットキー ダイオードの電圧降下は 0.15V ～ 0.45V です。
シリコン ダイオードの順方向電圧は 0.7V、ゲルマニウム ダイオードの順方向電圧は 0.3V です。
シリコン ダイオードの順方向電圧降下は約 0.7 V でほぼ一定ですが、それを流れる電流は比較的大きく変化するため、順方向バイアスのシリコン ダイオードを定電圧源として使用できます。
アバランシェ ダイオードを使用する利点と欠点
アバランシェ ダイオードには、通常のダイオードに比べていくつかの利点があります。ほとんどのダイオードよりも長持ちするため、特定の状況で使用すると信頼性が高くなります。
アバランシェ ダイオードの pn 接合は、電流が集中してホット スポットが発生しないように設計されているため、アバランシェ効果によってダイオードが損傷を受けることはありません。
利点
アバランシェ ダイオードは、回路の保護、ノイズの発生、光子の検出など、さまざまな状況で役立ちます。
それらは、より高いレベルの感度、高性能、および高速応答時間を示し、これらのアプリケーションでの使用に最適です。
また、存在してはならない電圧から回路を保護することもできるため、電子システムで役立ちます。
短所
しかし、アバランシェ ダイオードの使用には、考慮すべきいくつかの悪い点があります。
これらには、はるかに高い動作電圧の必要性、なだれプロセスによって引き起こされる非線形出力、はるかに高いレベルのノイズ、および機能するための高い逆バイアスの必要性が含まれます。
アバランシェ ダイオードも他のタイプのダイオードと同様に機能しない場合があり、状況によっては問題になる可能性があります。
これらの問題はありますが、アバランシェ ダイオードは、その動作方法から、特定の状況では依然として広く使用されています。
他のタイプのダイオードほど信頼性は高くないかもしれませんが、感度が高く応答が速いため、電子システムで役立ちます。
アバランシェダイオードとPINダイオードの違い
アバランシェ ダイオードと PIN ダイオードはどちらも半導体ダイオードの一種ですが、動作は大きく異なります。
動作電圧
動作電圧は、2 つのタイプの大きな違いです。
アバランシェ ダイオードは、通常の動作領域よりも高い電圧を必要とする逆降伏領域で動作するように作られています。
一方、PIN ダイオードは順方向バイアス領域で動作し、通常は必要な電圧が低くなります。
したがって、アバランシェ ダイオードがアバランシェ ブレークダウン領域に到達するには、より高い動作電圧が必要であるというよりも、より高い電圧が必要であると言った方が適切です。
ノイズ
アバランシェ ダイオードは、その働きにより、より多くのノイズを発生させる可能性があります。
しかし、このノイズ レベルは、降伏電圧とは逆方向に電圧を印加することによって下げることができます。
一方、PIN ダイオードはノイズが少ないため通常使用されますが、使用方法によってはノイズが発生することもあります。
内部構造
アバランシェ ダイオードは内部に、外部から逆電圧が印加されると電子が増殖する場所があります。
これにより、内部増幅が 10 倍から 100 倍大きくなります。
一方、PINダイオードには、標準のpnダイオードよりも空乏領域が大きく、静電容量が小さい真性領域があります。
これは、PIN ダイオードがより感度が高く、より迅速に応答することを意味します。
電圧要件
アバランシェ ダイオードの逆バイアス電圧ははるかに高く、シリコンでは 100 ～ 200 ボルトです。
一方、PIN ダイオードは低電圧で動作し、低電力デバイスに適しています。
全体として、アバランシェ ダイオードと PIN ダイオードは同様の方法で作られていますが、動作方法が異なるということは、異なる状況で使用されることを意味します。
アバランシェ ダイオードは高電圧で使用でき、オプトエレクトロニクス システムでは高ゲインの光子検出器として使用できます。
一方、PIN ダイオードは、低ノイズと高速の両方を必要とする低電力、高周波アプリケーションに適しています。
低ノイズ アバランシェ ダイオード
アバランシェ フォトダイオードは、低ノイズ アバランシェ ダイオード (APD) の正しい名前です。
APD は、光電効果を利用して光を電気に変換する半導体フォトダイオード検出器です。彼らはとても敏感です。
それらの高い信号対雑音比 (SNR)、高速応答、低暗電流、および高感度が、それらを際立たせています。
APDの応用
APD は、次のようなさまざまなことに使用されます。
- レーザー距離計。
- 光子相関の研究。
- 光ファイバーと通信するためのシステム。
- ライダー。
- PET、または陽電子放出断層撮影用のスキャナー。
低ノイズバイアス回路
APD のゲインは、接合部に反対方向に印加される電圧によって制御されます。ゲインを安定させ、ノイズレベルを低く保つには、この電圧を注意深く制御する必要があります。
これを行うには、APD のバイアス電圧を作成し、低ノイズ バイアス回路によって制御することができます。この回路は、固定周波数と低ノイズの PWM ブースト コンバーターを使用します。
サーミスタを読み取るマイクロコントローラは、温度を補償します。
過剰雑音指数
PIN フォトダイオードと比較すると、APD はアバランシェ プロセスの統計によって電流が変動するため、ノイズが大きくなります。
過剰ノイズ係数は、APD がショット ノイズ制限検出器よりもどれだけ多くのノイズを持っているかを計算する方法です。
アバランシェフォトダイオード
高感度の半導体フォトダイオード検出器であるアバランシェ フォトダイオード (APD) は、光電効果を利用して光を電気に変換します。
APD は高い逆バイアスで動作し、光子または光が当たったときに生成される正孔と電子がなだれのように増加します。
これにより、フォトダイオードのゲインを数倍に高めることができ、幅広い感度を得ることができます。
APD でなだれ増倍プロセスがどのように機能するか
なだれプロセスは、光子が吸収されたときに始まり、電子または正孔が何かに衝突したときにイオン化されます。
電界は、結果として得られるキャリアに十分なエネルギーを与え、インパクト イオン化によって二次キャリアを生成します。
このプロセスにより、電子と正孔のペアが大量に発生し、直接吸収のみよりも強力な信号が得られます。
APD のゲインは、アバランシェ プロセスによって生成される電子と正孔の総数と、デバイスによって吸収される光子の数の比率に等しくなります。
長所と短所
アバランシェ フォトダイオードの主な利点は、非常に感度が高く、低レベルの信号を検出できることです。
APD は他の半導体フォトダイオードより感度が高く、他のフォトダイオードでは同レベルの感度に達しない場所でも使用できます。
他のタイプのフォトダイオードと比較して、APD は応答が速く、使用していないときの電流が少なくなります。
ただし、APD にはいくつかの問題があります。
- APD の主な問題の 1 つは、他のフォトダイオードと比較して、動作に高い電圧が必要なことです。
- キャリア乗算により、APD は必要以上のノイズも発生します。
- 適切な設計手法と動作条件を使用すると、ノイズを削減できます。
- 最後に、APD には線形出力がないため、状況によっては使いにくくなる可能性があります。
ユースケース
| で使われる： | 説明： |
|---|---|
| 電圧レギュレータ | アバランシェ ダイオードは、安定した基準電圧を提供することにより、電子回路の電圧を制御するために使用できます。回路全体の電圧を一定に保つためのシャント レギュレータとして、または入ってくる電圧が変化しても出力電圧を安定に保つためのシリーズ レギュレータとして使用できます。 |
| パルス発生器 | アバランシェ ダイオードは、パルス発生器で高電圧の短いバーストを作成するために使用できます。電圧スパイクが発生すると、ダイオードはアバランシェ ブレークダウンに入り、立ち上がり時間が速い鋭いパルスを生成します。これは、高周波のパルスを必要とするレーダーなどに役立ちます。 |
| マイクロ波装置 | IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) および TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) ダイオードは、アバランシェ ダイオードを使用します。これらのダイオードは、マイクロ波範囲の高周波信号を送信します。これらの信号は、レーダー システム、衛星通信システム、およびその他の高周波アプリケーションで使用されます。 |
| サージ保護 | アバランシェ ダイオードをサージ プロテクタで使用して、電子デバイスを電圧スパイクや過渡過電圧から保護することができます。電圧を一定のレベルにクランプし、高電圧によるデバイスの損傷を防ぎます。 |
| RFアンプ | 無線周波数 (RF) 増幅器は、アバランシェ ダイオードを使用して高出力 RF 信号を生成できます。この場合、ダイオードはアバランシェ降伏領域に入り、電流が急速に上昇して強力な RF 信号を生成します。 |
| X線およびガンマ線検出器 | アバランシェ ダイオードは、X 線やガンマ線の検出器として、医療画像処理やその他の場所で使用できます。多くのエネルギーを持つ光子がダイオードによって拾われ、放射線のエネルギーを測定するために使用できる電流のパルスを送信します。 |
その他の用途:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
結論
この記事の締めくくりとして、アバランシェ ダイオードが多くの電子システムの重要な部分であることは明らかです。
それらはどのように作られ、何ができるかという理由で、どのエンジニアにとっても便利なツールです。
しかし、他の技術と同様に、アバランシェ ダイオードの使用には長所と短所の両方があり、どのアプリケーションでもこれらを慎重に検討することが重要です。
エンジニアとして、私たちはより良いシステムを設計するのに役立つ最新かつ最高のテクノロジーを常に探しています。
でも守ることも大事 エレクトロニクスの基礎は長い間存在しており、当時と同じように今日でも重要であることを心に留めておいてください.
したがって、経験豊富なエンジニアであろうと初心者であろうと、最新の電子機器でアバランシェ ダイオードがどのように機能するかを知ることが重要です。
これを行うことで、適切に機能し、アプリケーションにとって信頼できるシステムをより適切に設計できるようになります。
テクノロジーが変化しても、エレクトロニクスの基本的なルールは変わりません。
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