Als ingenieur weet u hoe belangrijk diodes zijn voor de manier waarop elektronische schakelingen werken.
Maar ken je de lawinediode? Lawinediodes verschillen van gewone diodes omdat ze een speciale functie hebben waarmee ze een aantal verschillende taken in hoogspanningstoepassingen kunnen uitvoeren.
Dus gordel om en maak je klaar om in de fascinerende wereld van lawinedioden te duiken!
Inleiding tot lawinediode
Formele definitie:
Een halfgeleiderdoorslagdiode, meestal gemaakt van silicium, waarbij lawinedoorslag optreedt over de gehele pn-overgang en de spanningsval dan in wezen constant en stroomonafhankelijk is; de twee belangrijkste typen zijn IMPATT- en TRAPATT-dioden.
Een lawinediode is een soort halfgeleiderdiode die is gemaakt om bij een bepaalde spanning in een lawine kapot te gaan.
Wanneer de spanning over een diode boven een bepaalde waarde komt, treedt lawinedoorslag op.
Bouw
Een zenerdiode en een lawinediode zijn beide op dezelfde manier gemaakt, maar de hoeveelheid doping in een lawinediode is anders dan die in een zenerdiode.
De verbinding van een lawinediode is gemaakt om de huidige concentratie en de hotspots die daaruit voortkomen te stoppen, zodat het lawine-effect de diode niet schaadt.
Werkingsprincipe van lawinediode
Lawinediodes zijn gemaakt om te werken in het omgekeerde doorslaggebied, waar ze een grote stroom kunnen voeren zonder beschadigd te raken.
De pn-overgang van een lawinediode is gemaakt om de stroomconcentratie en de hotspots die daaruit voortkomen te stoppen, zodat het lawine-effect de diode niet schaadt.
Wanneer een omgekeerde voorspanning wordt toegepast op de lawinediode, bereikt deze de doorslagspanning en gaat naar het lawinedoorslaggebied, waar het een grote stroom kan voeren zonder beschadigd te raken.
Lawinedoorslag treedt op wanneer de spanning over de diode hoger is dan een bepaalde waarde, waardoor de stroom snel stijgt.
Lawinevermenigvuldiging maakt meer vrije elektronen en ionen, waardoor er een grote hoeveelheid stroom door het apparaat gaat.
Soorten lawinediodes
Zener diode
De Zener-diode is een soort diode die het Zener-doorslageffect laat zien wanneer de spanning over de diode boven een bepaald niveau komt.
Een hoog elektrisch veld over de diode veroorzaakt het Zener-doorslageffect, een soort lawine-doorslag.
De zenerdiode wordt meestal gebruikt om de spanning te regelen, te beschermen tegen spanningspieken en om geluid te maken.
Lawine Fotodiode
De lawinefotodiode is een soort halfgeleiderdiode die is gemaakt om te werken in het lawinedoorslaggebied.
Het wordt vaak gebruikt als een high-gain fotonendetector in toepassingen met weinig licht, zoals glasvezelcommunicatiesystemen en beeldvormingsapparatuur.
Wanneer fotonen door de diode worden opgenomen, creƫren ze elektron-gatparen
Het hoge elektrische veld in de diode kan deze elektron-gatparen dan versnellen, waardoor er een stortvloed aan ladingsdragers ontstaat.
Verschil tussen Zener en lawinedoorslag
De manier waarop Zener-uitval en lawine-uitval plaatsvinden, is het belangrijkste verschil tussen de twee.
Zenerdoorslag vindt plaats wanneer er een sterk elektrisch veld is over het uitputtingsgebied van de diode
Lawine-afbraak vindt plaats wanneer vrije elektronen atomen in de diode raken.
De hoeveelheid doping in een diode bepaalt de Zener-doorslagspanning, terwijl de breedte van het uitputtingsgebied de lawine-doorslagspanning bepaalt.
Video: DIODEN! Allerlei soorten en hoe ze werken
Tip: Schakel de ondertitelingsknop in als je die nodig hebt.
Toepassingen van lawinediodes
Beveiligingsapparaten en spanningsregelaars
Meestal worden lawinediodes gebruikt om gevoelige elektronische onderdelen te beschermen tegen beschadiging door hoge spanning of stroompieken in elektronische circuits.
Ze kunnen ook worden gebruikt om de spanning over een belasting in circuits te regelen, waar ze werken in het omgekeerde doorslaggebied.
Ruisbronnen in RF- en microgolfcircuits
In RF- en microgolfcircuits worden vaak lawinediodes gebruikt als ruisbronnen.
Tijdens het lawine-afbraakproces worden willekeurig elektronen en gaten gemaakt, wat witte ruis veroorzaakt
Dit maakt ze nuttig voor communicatie en elektronische oorlogsvoering.
Snelle schakelapparaten in digitale schakelingen
In digitale circuits worden lawinediodes gebruikt als snelle schakelaars die in zeer korte tijd kunnen worden in- en uitgeschakeld, een zogenaamde picoseconde.
Hierdoor kunnen ze worden gebruikt voor zaken als snelle gegevensoverdracht en digitale signaalverwerking.
High-gain fotonendetectoren in opto-elektronische systemen
Lawinefotodiodes (APD's) zijn halfgeleiderapparaten die zijn gemaakt om te werken in het lawinedoorslaggebied wanneer fotonen worden geabsorbeerd door de diode.
APD's worden gebruikt in glasvezelcommunicatiesystemen, laserafstandssystemen en andere toepassingen bij weinig licht als high-gain fotonendetectoren.
Spanningsval in lawinediodes
Lawinediodes zijn ontworpen om te profiteren van het lawine-effect, dus ze hebben een kleine maar merkbare spanningsval wanneer ze kapot gaan.
Zenerdiodes daarentegen houden de spanning altijd boven het punt waar ze uitvallen.
De meeste lawinedioden hebben een spanningsval van tussen de 1 en 2 volt.
Temperatuurcoƫfficiƫnt van spanning
Zenerdiodes hebben een kleine temperatuurcoƫfficiƫnt van spanning die negatief is, terwijl lawinediodes een kleine temperatuurcoƫfficiƫnt van spanning hebben die positief is.
Dit betekent dat als de temperatuur stijgt, de spanningsval in een lawinediode iets omhoog gaat, terwijl de spanningsval in een zenerdiode afneemt als de temperatuur stijgt.
Vergelijking met andere diodes
De meeste Schottky-diodes hebben een spanningsval tussen 0,15V en 0,45V.
De doorlaatspanning voor siliciumdiodes is 0,7 V en voor Germaniumdiodes 0,3 V.
Aangezien de voorwaartse spanningsval over een siliciumdiode bijna constant is op ongeveer 0,7 V, terwijl de stroom erdoor relatief sterk varieert, kan een voorwaarts voorgespannen siliciumdiode worden gebruikt als een constante spanningsbron.
Voor- en nadelen van het gebruik van lawinediodes
Lawinediodes hebben verschillende voordelen ten opzichte van normale diodes. Ze gaan langer mee dan de meeste diodes, waardoor ze betrouwbaarder zijn bij gebruik in bepaalde situaties.
De pn-overgang van een lawinediode is ontworpen om stroomconcentratie en de daaruit voortvloeiende hotspots te voorkomen, zodat de diode onbeschadigd blijft door het lawine-effect.
De voordelen
Lawinediodes zijn nuttig in een aantal situaties, zoals het beschermen van circuits, het maken van ruis en het vinden van fotonen.
Ze vertonen een grotere gevoeligheid, hoge prestaties en snelle reactietijd, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in deze toepassingen.
Ze kunnen ook circuits beschermen tegen spanningen die er niet zouden moeten zijn, waardoor ze nuttig zijn in elektronische systemen.
De nadelen
Maar er zijn enkele slechte dingen aan het gebruik van lawinediodes waar u aan moet denken.
Deze omvatten de behoefte aan een veel hogere bedrijfsspanning, een niet-lineaire uitvoer veroorzaakt door het lawineproces, een veel hoger geluidsniveau en de behoefte aan een hoge omgekeerde voorspanning om te werken.
Lawinediodes werken mogelijk ook niet zo goed als andere soorten diodes, wat in sommige situaties een probleem kan zijn.
Hoewel ze deze problemen hebben, worden lawinedioden nog steeds veel gebruikt in bepaalde situaties vanwege hun manier van werken.
Ook al zijn ze misschien niet zo betrouwbaar als andere soorten diodes, ze zijn nuttig in elektronische systemen omdat ze gevoelig zijn en snel reageren.
Verschil tussen lawinediode en PIN-diode
Lawinediodes en PIN-diodes zijn beide soorten halfgeleiderdiodes, maar ze werken op heel verschillende manieren.
Werkspanning
De bedrijfsspanning is een groot verschil tussen de twee typen.
Lawinediodes zijn gemaakt om te werken in het omgekeerde doorslaggebied, dat een hogere spanning nodig heeft dan het normale werkgebied.
PIN-diodes daarentegen werken in het voorwaarts gerichte gebied, dat meestal minder spanning nodig heeft.
Het is dus beter om te zeggen dat lawinediodes een hogere spanning nodig hebben om het lawinedoorslaggebied te bereiken dan dat ze een hogere bedrijfsspanning nodig hebben.
Lawaai
Door hun manier van werken kunnen lawinediodes meer lawaai maken.
Maar dit geluidsniveau kan worden verlaagd door een spanning aan te leggen in de tegenovergestelde richting van de doorslagspanning.
PIN-diodes daarentegen worden meestal gebruikt omdat ze minder geluid maken, maar ze kunnen nog steeds wat geluid maken, afhankelijk van hoe ze worden gebruikt.
Interne structuur
Lawinediodes hebben een plek aan de binnenkant waar elektronen zich vermenigvuldigen wanneer van buitenaf een sperspanning wordt aangelegd.
Hierdoor is de interne versterking tussen de 10 en 100 keer groter.
Aan de andere kant hebben PIN-diodes een intrinsiek gebied met een groter uitputtingsgebied en minder capaciteit dan een standaard pn-diode.
Dit betekent dat PIN-diodes gevoeliger zijn en sneller reageren.
Spanningsvereisten
Lawinediodes hebben een omgekeerde voorspanning die veel hoger is, tussen 100 en 200 volt voor silicium.
De PIN-diode daarentegen werkt op een lage spanning en is goed voor apparaten met een laag vermogen.
Over het algemeen worden lawinedioden en PIN-diodes op dezelfde manier gemaakt, maar door hun verschillende manier van werken worden ze in verschillende situaties gebruikt.
Lawinediodes kunnen worden gebruikt met hoge spanningen en in opto-elektronische systemen kunnen ze worden gebruikt als fotondetectoren met hoge versterking.
Aan de andere kant zijn PIN-diodes beter voor toepassingen met laag vermogen en hoge frequentie die zowel weinig ruis als hoge snelheid nodig hebben.
Geluidsarme lawinediodes
Lawinefotodiodes zijn de juiste naam voor low-noise lawinediodes (APD's).
APD's zijn halfgeleiderfotodiodedetectoren die het foto-elektrische effect gebruiken om licht in elektriciteit om te zetten. Ze zijn erg gevoelig.
Hun hoge signaal-ruisverhouding (SNR), snelle tijdrespons, lage donkerstroom en hoge gevoeligheid onderscheiden ze.
Toepassingen van APD's
APD's worden voor veel verschillende dingen gebruikt, zoals:
- Laser afstandsmeters.
- Studies van fotoncorrelatie.
- Systemen voor communicatie met glasvezel.
- lidar.
- Scanners voor PET of positronemissietomografie.
Geluidsarm Bias-circuit
De versterking van een APD wordt geregeld door de spanning die in de tegenovergestelde richting over de kruising wordt gezet. Om de versterking stabiel te houden en het ruisniveau laag te houden, moet deze spanning zorgvuldig worden gecontroleerd.
Om dit te doen, kan de voorspanning voor APD's worden gemaakt en geregeld door een ruisarme voorspanningsschakeling. Deze schakeling maakt gebruik van een PWM boost-converter met een vaste frequentie en weinig ruis
Een microcontroller die een thermistor leest, compenseert de temperatuur.
Overtollige ruisfactor
In vergelijking met PIN-fotodiodes hebben APD's meer ruis omdat de statistieken van het lawineproces stroomfluctuaties veroorzaken.
De overmatige ruisfactor is een manier om te berekenen hoeveel meer ruis een APD heeft dan een shot noise-limited detector.
Lawine Fotodiodes
Een zeer gevoelige halfgeleiderfotodiodedetector, een lawinefotodiode (APD), gebruikt het foto-elektrische effect om licht in elektriciteit om te zetten.
De APD werkt met een hoge omgekeerde bias, waardoor de gaten en elektronen die worden gemaakt wanneer een foton of licht erop valt, zich als lawines vermenigvuldigen.
Dit maakt het mogelijk om de versterking van de fotodiode meerdere keren te vergroten, waardoor deze een breed scala aan gevoeligheid krijgt.
Hoe lawinevermenigvuldigingsproces werkt in APD's
Het lawineproces begint wanneer een foton wordt geabsorbeerd en een elektron of een gat wordt geĆÆoniseerd wanneer ze iets raken.
Het elektrische veld geeft de resulterende dragers voldoende energie om secundaire dragers te maken door middel van impactionisatie.
Dit proces zorgt voor een stortvloed aan elektron-gatparen, wat een sterker signaal geeft dan alleen directe absorptie.
De versterking van de APD is gelijk aan de verhouding van het totale aantal elektronen en gaten gemaakt door het lawineproces tot het aantal fotonen dat door het apparaat wordt geabsorbeerd.
Voor-en nadelen
Het belangrijkste voordeel van een lawinefotodiode is dat deze zeer gevoelig is en signalen van laag niveau kan oppikken.
De APD is gevoeliger dan andere halfgeleiderfotodiodes en kan worden gebruikt op plaatsen waar andere fotodiodes mogelijk niet hetzelfde gevoeligheidsniveau kunnen bereiken.
In vergelijking met andere soorten fotodiodes reageert de APD ook sneller en heeft hij minder stroom als hij niet wordt gebruikt.
APD's hebben echter enkele problemen.
- Een van de grootste problemen met een APD is dat het, in vergelijking met andere fotodiodes, een hogere spanning nodig heeft om te werken.
- Vanwege carrier-vermenigvuldiging maken APD's ook meer geluid dan zou moeten.
- Het gebruik van de juiste ontwerptechnieken en bedrijfsomstandigheden kan het geluid verminderen.
- Ten slotte heeft een APD geen lineaire uitvoer, waardoor het in sommige situaties moeilijker te gebruiken is.
Gebruik gevallen
| Gebruikt in: | Beschrijving: |
|---|---|
| Spanningsregelaars | Lawinediodes kunnen worden gebruikt om de spanning in elektronische circuits te regelen door een stabiele referentiespanning te leveren. Ze kunnen worden gebruikt als shuntregelaar om de spanning over het circuit constant te houden of als serieregelaar om de uitgangsspanning stabiel te houden, zelfs als de binnenkomende spanning verandert. |
| Pulsgeneratoren | Lawinedioden kunnen worden gebruikt om korte uitbarstingen van hoogspanning in pulsgeneratoren te maken. Wanneer er een spanningspiek optreedt, gaat de diode in lawinedoorslag en geeft een scherpe puls met een snelle stijgtijd. Dit is handig voor zaken als radar, die pulsen met een hoge frequentie nodig hebben. |
| Magnetron apparaten | IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) en TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) diodes gebruiken lawinediodes. Deze diodes zenden hoogfrequente signalen uit in het microgolfbereik. Deze signalen worden gebruikt in radarsystemen, satellietcommunicatiesystemen en andere hoogfrequente toepassingen. |
| Overspanningsbeveiliging | Lawinediodes kunnen worden gebruikt in overspanningsbeveiligingen om elektronische apparaten te beschermen tegen spanningspieken en tijdelijke overspanningen. Ze kunnen de spanning op een bepaald niveau klemmen en voorkomen dat het apparaat wordt beschadigd door hoge spanning. |
| RF-versterkers | Radiofrequentieversterkers (RF) kunnen lawinediodes gebruiken om krachtige RF-signalen te maken. In dit geval gaat de diode in het lawinedoorslaggebied, waardoor de stroom snel stijgt en een sterk RF-signaal wordt afgegeven. |
| X-ray en Gamma Ray Detectors | Lawinediodes kunnen worden gebruikt in medische beeldvorming en op andere plaatsen als rƶntgen- en gammastralingsdetectoren. Fotonen met veel energie worden opgepikt door de diode, die een stroompuls uitzendt die kan worden gebruikt om de energie van de straling te meten. |
Andere gebruiken:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Conclusie
Nu dit artikel ten einde loopt, is het duidelijk dat lawinediodes belangrijke onderdelen zijn van veel elektronische systemen.
Vanwege de manier waarop ze zijn gemaakt en wat ze kunnen, zijn het nuttige hulpmiddelen voor elke ingenieur.
Maar net als elke andere technologie heeft het gebruik van lawinedioden zowel voor- als nadelen, en het is belangrijk om deze zorgvuldig af te wegen bij elke toepassing.
Als ingenieurs zijn we altijd op zoek naar de nieuwste en beste technologie om ons te helpen betere systemen te ontwerpen.
Maar het is ook belangrijk om te behouden in gedachten houdend dat de basisprincipes van elektronica al heel lang bestaan āāen vandaag de dag net zo belangrijk zijn als toen.
Dus of je nu een ervaren ingenieur bent of net begint, het is belangrijk om te weten hoe lawinediodes werken in moderne elektronica.
Hierdoor bent u beter in staat systemen te ontwerpen die goed werken en betrouwbaar zijn voor uw toepassingen.
Ook al verandert de technologie, de basisregels van elektronica blijven hetzelfde.
Delen opā¦
