Som ingeniør vet du hvor viktige dioder er for måten elektroniske kretser fungerer på.
Men vet du om skreddioden? Skreddioder er forskjellige fra vanlige dioder fordi de har en spesiell funksjon som lar dem utføre en rekke forskjellige oppgaver i høyspenningsapplikasjoner.
Så spenn deg fast og gjør deg klar til å dykke inn i den fascinerende verdenen av snøskreddioder!
Introduksjon til Avalanche Diode
Formell definisjon:
En halvledernedbrytningsdiode, vanligvis laget av silisium, der snøskred oppstår over hele pn-overgangen og spenningsfallet er da i det vesentlige konstant og uavhengig av strøm; de to viktigste typene er IMPATT- og TRAPATT-dioder.
En skreddiode er en type halvlederdiode som er laget for å bryte ned i et snøskred ved en viss spenning.
Når spenningen over en diode går over en viss verdi, skjer det et snøskred.
Konstruksjon
En Zener-diode og en skreddiode er begge laget på samme måte, men mengden doping i en skreddiode er forskjellig fra den i en Zener-diode.
Krysset til en skreddiode er laget for å stoppe strømkonsentrasjonen og de varme punktene som kommer fra den, slik at skredeffekten ikke skader dioden.
Arbeidsprinsipp for snøskreddiode
Skreddioder er laget for å fungere i omvendt sammenbruddsregion, hvor de kan føre en stor strøm uten å bli skadet.
Pn-krysset til en skreddiode er laget for å stoppe strømkonsentrasjonen og de varme punktene som kommer fra den, slik at skredeffekten ikke skader dioden.
Når en omvendt forspenning påføres skreddioden, når den sammenbruddsspenningen og går inn i skredsammenbruddsregionen, hvor den kan føre en stor strøm uten å bli skadet.
Skredsammenbrudd skjer når spenningen over dioden er høyere enn en viss verdi, noe som får strømmen til å stige raskt.
Skredmultiplikasjon gir flere frie elektroner og ioner, noe som fører til at en stor mengde strøm flyter gjennom enheten.
Typer skreddioder
Zener diode
Zener-dioden er en type diode som viser Zener-nedbrytningseffekten når spenningen over dioden går over et visst nivå.
Et høyt elektrisk felt over dioden forårsaker Zener-nedbrytningseffekten, som er en type snøskred.
Zener-dioden brukes mest til å kontrollere spenningen, beskytte mot overspenninger og lage støy.
Skredfotodiode
Skredfotodioden er en type halvlederdiode som er laget for å fungere i skredsammenbruddsområdet.
Den brukes ofte som en fotondetektor med høy forsterkning i applikasjoner med lite lys som fiberoptiske kommunikasjonssystemer og bildeenheter.
Når fotoner tas inn av dioden, lager de elektron-hull-par
Det høye elektriske feltet i dioden kan da øke hastigheten på disse elektron-hull-parene, og forårsake en flom av ladningsbærere.
Forskjellen mellom Zener og Avalanche Breakdown
Måten Zener-sammenbrudd og snøskred skjer på er hovedforskjellen mellom de to.
Zener-nedbrytning skjer når det er et sterkt elektrisk felt over diodens utarmingsområde
Skredsammenbrudd skjer når frie elektroner treffer atomer i dioden.
Mengden doping i en diode bestemmer Zener-nedbrytningsspenningen, mens bredden på utarmingsregionen bestemmer skredsammenbruddsspenningen.
Video: DIODES! Alle slags dem og hvordan de fungerer
Tips: Slå på bildetekstknappen hvis du trenger det.
Anvendelser av snøskreddioder
Beskyttelsesenheter og spenningsregulatorer
Mesteparten av tiden brukes skreddioder for å beskytte sensitive elektroniske deler fra å bli skadet av høyspenning eller strømstøt i elektroniske kretser.
De kan også brukes til å kontrollere spenningen over en last i kretser, der de arbeider i omvendt sammenbruddsregion.
Støykilder i RF- og mikrobølgekretser
I RF- og mikrobølgekretser brukes ofte skreddioder som støykilder.
Under skrednedbrytningsprosessen lages elektroner og hull tilfeldig, som lager hvit støy
Dette gjør dem nyttige for kommunikasjon og elektronisk krigføring.
Høyhastighetssvitsjeenheter i digitale kretser
I digitale kretser brukes snøskreddioder som høyhastighetsbrytere som kan slås av og på på svært kort tid, kalt et pikosekund.
På grunn av dette kan de brukes til ting som høyhastighets dataoverføring og digital signalbehandling.
Fotondetektorer med høy forsterkning i optoelektroniske systemer
Skredfotodioder (APDs) er halvlederenheter som er laget for å fungere i skredsammenbruddsområdet når fotoner absorberes av dioden.
APD-er brukes i fiberoptiske kommunikasjonssystemer, laseravstandssystemer og andre applikasjoner med lavt lysnivå som fotondetektorer med høy forsterkning.
Spenningsfall i snøskreddioder
Skreddioder er designet for å utnytte skredeffekten, slik at de har et lite, men merkbart spenningsfall når de bryter sammen.
Zenerdioder, derimot, holder alltid spenningen over punktet der de brytes ned.
De fleste snøskreddioder har et spenningsfall på mellom 1 og 2 volt.
Temperaturkoeffisient for spenning
Zenerdioder har en liten temperaturkoeffisient for spenning som er negativ, mens Avalanche-dioder har en liten temperaturkoeffisient for spenning som er positiv.
Dette betyr at når temperaturen går opp, vil spenningsfallet i en skreddiode gå litt opp, mens spenningsfallet i en Zener-diode vil gå ned når temperaturen går opp.
Sammenligning med andre dioder
De fleste Schottky-dioder har et spenningsfall på mellom 0,15V og 0,45V.
Foroverspenningen for silisiumdioder er 0,7V, og for Germaniumdioder er den 0,3V.
Siden foroverspenningsfallet over en silisiumdiode er nesten konstant på ca. 0,7v, mens strømmen gjennom den varierer med relativt store mengder, kan en foroverspent silisiumdiode brukes som konstantspenningskilde.
Fordeler og ulemper ved å bruke skreddioder
Skreddioder har flere fordeler fremfor vanlige dioder. De varer lenger enn de fleste dioder, noe som gjør dem mer pålitelige når de brukes i visse situasjoner.
Pn-krysset til en skreddiode er utformet for å forhindre strømkonsentrasjon og resulterende hot spots slik at dioden er uskadet av skredeffekten.
Fordelene
Skreddioder er nyttige i en rekke situasjoner, for eksempel å beskytte kretser, lage støy og finne fotoner.
De viser et høyere nivå av følsomhet, høy ytelse og rask responstid, noe som gjør dem ideelle for bruk i disse applikasjonene.
De kan også beskytte kretser mot spenninger som ikke burde være der, noe som gjør dem nyttige i elektroniske systemer.
Ulempene
Men det er noen dårlige ting med å bruke skreddioder som du bør tenke på.
Disse inkluderer behovet for en mye høyere driftsspenning, en ikke-lineær utgang forårsaket av skredprosessen, et mye høyere støynivå og behovet for en høy revers forspenning for å fungere.
Skreddioder fungerer kanskje heller ikke like bra som andre typer dioder, noe som kan være et problem i enkelte situasjoner.
Selv om de har disse problemene, er skreddioder fortsatt mye brukt i visse situasjoner på grunn av hvordan de fungerer.
Selv om de kanskje ikke er like pålitelige som andre typer dioder, er de nyttige i elektroniske systemer fordi de er følsomme og reagerer raskt.
Forskjellen mellom Avalanche Diode og PIN Diode
Skreddioder og PIN-dioder er begge typer halvlederdioder, men de fungerer på veldig forskjellige måter.
Driftsspenning
Løpespenningen er en stor forskjell mellom de to typene.
Skreddioder er laget for å fungere i det omvendte sammenbruddsområdet, som trenger høyere spenning enn det normale driftsområdet.
PIN-dioder, på den annen side, fungerer i det fremadrettede området, som vanligvis trenger mindre spenning.
Så det er bedre å si at skreddioder trenger en høyere spenning for å nå skredsammenbruddsregionen enn at de trenger en høyere driftsspenning.
Bråk
På grunn av hvordan de fungerer, kan skreddioder lage mer støy.
Men dette støynivået kan senkes ved å påføre en spenning i motsatt retning av sammenbruddsspenningen.
PIN-dioder, derimot, brukes vanligvis fordi de lager mindre støy, men de kan fortsatt lage noe støy avhengig av hvordan de brukes.
Intern struktur
Skreddioder har et sted inne hvor elektroner multipliserer når en omvendt spenning påføres fra utsiden.
Dette gjør den interne forsterkningen mellom 10 og 100 ganger større.
På den annen side har PIN-dioder et iboende område som har et større uttømmingsområde og mindre kapasitans enn en standard pn-diode.
Dette betyr at PIN-dioder er mer følsomme og reagerer raskere.
Spenningskrav
Skreddioder har en omvendt biasspenning som er mye høyere, mellom 100 og 200 volt for silisium.
PIN-dioden, derimot, fungerer ved lav spenning og er bra for enheter med lav effekt.
Samlet sett er skreddioder og PIN-dioder laget på lignende måter, men deres ulike arbeidsmåter gjør at de brukes i forskjellige situasjoner.
Skreddioder kan brukes med høye spenninger, og i optoelektroniske systemer kan de brukes som fotondetektorer med høy forsterkning.
På den annen side er PIN-dioder bedre for lav-effekt, høyfrekvente applikasjoner som trenger både lav støy og høy hastighet.
Lav støy lavine dioder
Skredfotodioder er det riktige navnet på lavstøysreddioder (APD).
APD-er er halvlederfotodiodedetektorer som bruker den fotoelektriske effekten til å gjøre lys til elektrisitet. De er veldig følsomme.
Deres høye signal-til-støy-forhold (SNR), raske tidsrespons, lave mørkestrøm og høye følsomhet er det som får dem til å skille seg ut.
Anvendelser av APD-er
APD-er brukes til mange forskjellige ting, for eksempel:
- Laser avstandsmålere.
- Studier av fotonkorrelasjon.
- Systemer for kommunikasjon med fiberoptikk.
- Lidar.
- Skannere for PET, eller positronemisjonstomografi.
Støysvak skjevhetskrets
Forsterkningen til en APD styres av spenningen som settes over krysset i motsatt retning. For å holde forsterkningen jevn og støynivået lavt, må denne spenningen kontrolleres nøye.
For å gjøre dette kan forspenningen for APD-er lages og kontrolleres av en forspenningskrets med lite støy. Denne kretsen bruker en PWM boost-omformer med fast frekvens og lav støy
En mikrokontroller som leser en termistor kompenserer for temperaturen.
Overflødig støyfaktor
Sammenlignet med PIN-fotodioder har APD-er mer støy fordi statistikken over skredprosessen forårsaker strømsvingninger.
Overskuddsstøyfaktoren er en måte å beregne hvor mye mer støy en APD har enn en skuddstøybegrenset detektor.
Skredfotodioder
En svært følsom halvlederfotodiodedetektor, en skredfotodiode (APD) bruker den fotoelektriske effekten til å gjøre lys til elektrisitet.
APD fungerer med en høy revers bias, som lar hullene og elektronene som lages når et foton eller lys treffer det, formere seg som snøskred.
Dette gjør det mulig å øke forsterkningen til fotodioden flere ganger, noe som gir den et bredt følsomhetsområde.
Hvordan skredmultiplikasjonsprosessen fungerer i APD-er
Skredprosessen starter når et foton absorberes og et elektron eller et hull ioniseres når de treffer noe.
Det elektriske feltet gir de resulterende bærerne nok energi til å lage sekundære bærere gjennom slagionisering.
Denne prosessen lager en flom av elektron-hull-par, som gir et sterkere signal enn direkte absorpsjon alene.
Forsterkningen til APD er lik forholdet mellom det totale antallet elektroner og hull laget av skredprosessen og antall fotoner som absorberes av enheten.
Fordeler og ulemper
Hovedfordelen med en skredfotodiode er at den er veldig følsom og kan fange opp lavnivåsignaler.
APD er mer følsom enn andre halvlederfotodioder og kan brukes på steder der andre fotodioder kanskje ikke kan nå samme følsomhetsnivå.
Sammenlignet med andre typer fotodioder, reagerer APD også raskere og har mindre strømflyt når den ikke brukes.
APD-er har imidlertid noen problemer.
- Et av hovedproblemene med en APD er at den, sammenlignet med andre fotodioder, trenger høyere spenning for å fungere.
- På grunn av bærermultiplikasjon lager APD-er også mer støy enn de burde.
- Bruk av riktige designteknikker og driftsforhold kan redusere støyen.
- Til slutt, en APD har ikke en lineær utgang, noe som kan gjøre det vanskeligere å bruke i noen situasjoner.
Brukssaker
| Brukt i: | Beskrivelse: |
|---|---|
| Spenningsregulatorer | Skreddioder kan brukes til å kontrollere spenningen i elektroniske kretser ved å gi en stabil referansespenning. De kan brukes som en shuntregulator for å holde spenningen konstant over kretsen eller som en serieregulator for å holde utgangsspenningen stabil selv om spenningen som kommer inn endres. |
| Pulsgeneratorer | Skreddioder kan brukes til å lage korte støt med høy spenning i pulsgeneratorer. Når en spenningstopp skjer, går dioden i snøskred og lager en skarp puls med rask stigetid. Dette er nyttig for ting som radar, som trenger pulser med høy frekvens. |
| Mikrobølgeapparater | IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) og TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) dioder bruker skreddioder. Disse diodene sender ut høyfrekvente signaler i mikrobølgeområdet. Disse signalene brukes i radarsystemer, satellittkommunikasjonssystemer og andre høyfrekvente applikasjoner. |
| Overspenningsvern | Skreddioder kan brukes i overspenningsvern for å beskytte elektroniske enheter mot spenningstopper og forbigående overspenninger. De kan klemme spenningen på et visst nivå og holde enheten fra å bli skadet av høy spenning. |
| RF forsterkere | Radiofrekvensforsterkere (RF) kan bruke skreddioder for å lage RF-signaler med høy effekt. I dette tilfellet går dioden inn i skredsammenbruddsområdet, noe som får strømmen til å stige raskt og lage et sterkt RF-signal. |
| Røntgen- og gammastråledetektorer | Skreddioder kan brukes i medisinsk bildebehandling og andre steder som røntgen- og gammastråledetektorer. Fotoner med mye energi fanges opp av dioden, som sender ut en strømpuls som kan brukes til å måle energien til strålingen. |
Andre bruksområder:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Konklusjon
Når denne artikkelen nærmer seg slutten, er det klart at snøskreddioder er viktige deler av mange elektroniske systemer.
På grunn av hvordan de er laget og hva de kan gjøre, er de nyttige verktøy for enhver ingeniør.
Men, som all annen teknologi, har bruk av skreddioder både fordeler og ulemper, og det er viktig å veie disse nøye i enhver applikasjon.
Som ingeniører er vi alltid på utkikk etter den nyeste og beste teknologien for å hjelpe oss med å designe bedre systemer.
Men det er også viktig å beholde Husk at det grunnleggende innen elektronikk har eksistert lenge og er like viktig i dag som den gang.
Så, enten du er en erfaren ingeniør eller bare har begynt, er det viktig å vite hvordan snøskreddioder fungerer i moderne elektronikk.
Ved å gjøre dette vil du bli bedre i stand til å designe systemer som fungerer godt og er pålitelige for applikasjonene dine.
Selv om teknologien endrer seg, forblir de grunnleggende reglene for elektronikk de samme.
Dele på…
