Jako inżynier wiesz, jak ważne dla działania układów elektronicznych są diody.
Ale czy wiesz o diodzie lawinowej? Diody lawinowe różnią się od zwykłych diod, ponieważ mają specjalną cechę, która pozwala im wykonywać szereg różnych zadań w zastosowaniach wysokonapięciowych.
Więc zapnij pasy i przygotuj się na zanurzenie w fascynującym świecie diod lawinowych!
Wprowadzenie do diody lawinowej
Formalna definicja:
Półprzewodnikowa dioda przebicia, zwykle wykonana z krzemu, w której przebicie lawinowe zachodzi na całym złączu pn, a spadek napięcia jest wtedy zasadniczo stały i niezależny od prądu; dwa najważniejsze typy to diody IMPATT i TRAPATT.
Dioda lawinowa to rodzaj diody półprzewodnikowej, która ulega zniszczeniu w lawinie przy określonym napięciu.
Gdy napięcie na diodzie przekroczy określoną wartość, następuje przebicie lawinowe.
Budowa
Dioda Zenera i dioda lawinowa są wykonane w ten sam sposób, ale ilość domieszkowania w diodzie lawinowej jest inna niż w diodzie Zenera.
Złącze diody lawinowej ma na celu zatrzymanie koncentracji prądu i pochodzących z niego gorących punktów, tak aby efekt lawinowy nie zaszkodził diodzie.
Zasada działania diody lawinowej
Diody lawinowe są przystosowane do pracy w obszarze odwrotnego przebicia, w którym mogą przewodzić duży prąd bez uszkodzenia.
Złącze pn diody lawinowej ma na celu zatrzymanie koncentracji prądu i pochodzących z niego gorących punktów, tak aby efekt lawinowy nie zaszkodził diodzie.
Gdy do diody lawinowej zostanie przyłożone napięcie polaryzacji wstecznej, osiąga ona napięcie przebicia i przechodzi do obszaru przebicia lawinowego, gdzie może przewodzić duży prąd bez uszkodzenia.
Przebicie lawinowe ma miejsce, gdy napięcie na diodzie jest wyższe od określonej wartości, co powoduje szybki wzrost prądu.
Mnożenie lawinowe powoduje uwolnienie większej ilości elektronów i jonów, co powoduje przepływ dużej ilości prądu przez urządzenie.
Rodzaje diod lawinowych
Dioda Zenera
Dioda Zenera to rodzaj diody, która wykazuje efekt przebicia Zenera, gdy napięcie na diodzie przekracza określony poziom.
Wysokie pole elektryczne w poprzek diody powoduje efekt przebicia Zenera, który jest rodzajem przebicia lawinowego.
Dioda Zenera służy głównie do kontroli napięcia, ochrony przed przepięciami i hałasu.
Fotodioda lawinowa
Fotodioda lawinowa jest rodzajem diody półprzewodnikowej przeznaczonej do pracy w obszarze załamania lawinowego.
Jest często używany jako detektor fotonów o dużym wzmocnieniu w zastosowaniach o słabym oświetleniu, takich jak światłowodowe systemy komunikacyjne i urządzenia do obrazowania.
Kiedy fotony są pobierane przez diodę, tworzą pary elektron-dziura
Silne pole elektryczne w diodzie może następnie przyspieszyć te pary elektron-dziura, powodując zalew nośników ładunku.
Różnica między Zenerem a załamaniem lawinowym
Sposób, w jaki dochodzi do awarii Zenera i lawiny, jest główną różnicą między nimi.
Awaria Zenera ma miejsce, gdy w obszarze wyczerpania diody występuje silne pole elektryczne
Przebicie lawinowe ma miejsce, gdy wolne elektrony uderzają w atomy w diodzie.
Ilość domieszkowania w diodzie określa napięcie przebicia Zenera, podczas gdy szerokość obszaru zubożenia określa napięcie przebicia lawinowego.
Wideo: DIODY! Wszystkie ich rodzaje i sposób ich działania
Wskazówka: włącz przycisk napisów, jeśli go potrzebujesz.
Zastosowania diod lawinowych
Urządzenia zabezpieczające i regulatory napięcia
W większości przypadków diody lawinowe są używane do ochrony wrażliwych części elektronicznych przed uszkodzeniem przez wysokie napięcie lub skoki prądu w obwodach elektronicznych.
Mogą być również używane do kontrolowania napięcia na obciążeniu w obwodach, gdzie pracują w obszarze przebicia wstecznego.
Źródła szumów w obwodach RF i mikrofalowych
W obwodach RF i mikrofalowych diody lawinowe są często używane jako źródła szumów.
Podczas procesu rozpadu lawiny elektrony i dziury powstają w sposób losowy, co powoduje powstawanie białego szumu
To czyni je przydatnymi do komunikacji i walki elektronicznej.
Szybkie urządzenia przełączające w obwodach cyfrowych
W obwodach cyfrowych diody lawinowe są używane jako szybkie przełączniki, które mogą włączać się i wyłączać w bardzo krótkim czasie, zwanym pikosekundą.
Z tego powodu mogą być używane do takich rzeczy, jak szybki transfer danych i cyfrowe przetwarzanie sygnału.
Detektory fotonów o dużym wzmocnieniu w systemach optoelektronicznych
Fotodiody lawinowe (APD) to urządzenia półprzewodnikowe, które są przeznaczone do pracy w obszarze przebicia lawinowego, gdy fotony są absorbowane przez diodę.
APD są używane w światłowodowych systemach komunikacyjnych, laserowych systemach odległości i innych zastosowaniach przy słabym oświetleniu jako detektory fotonów o dużym wzmocnieniu.
Spadek napięcia w diodach lawinowych
Diody lawinowe są zaprojektowane tak, aby wykorzystać efekt lawinowy, więc mają mały, ale zauważalny spadek napięcia, gdy się psują.
Z drugiej strony diody Zenera zawsze utrzymują napięcie powyżej punktu, w którym się psują.
Większość diod lawinowych ma spadek napięcia między 1 a 2 woltami.
Współczynnik temperaturowy napięcia
Diody Zenera mają mały współczynnik temperaturowy napięcia, który jest ujemny, podczas gdy diody lawinowe mają mały współczynnik temperaturowy napięcia, który jest dodatni.
Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury spadek napięcia na diodzie lawinowej nieznacznie wzrośnie, podczas gdy spadek napięcia na diodzie Zenera będzie malał wraz ze wzrostem temperatury.
Porównanie z innymi diodami
Większość diod Schottky'ego ma spadek napięcia między 0,15 V a 0,45 V.
Napięcie przewodzenia dla diod krzemowych wynosi 0,7 V, a dla diod germanowych 0,3 V.
Ponieważ spadek napięcia przewodzenia na diodzie krzemowej jest prawie stały i wynosi około 0,7 V, podczas gdy płynący przez nią prąd zmienia się w stosunkowo dużych ilościach, dioda krzemowa spolaryzowana w kierunku przewodzenia może być używana jako źródło stałego napięcia.
Zalety i wady stosowania diod lawinowych
Diody lawinowe mają kilka zalet w porównaniu ze zwykłymi diodami. Trwają dłużej niż większość diod, co czyni je bardziej niezawodnymi w określonych sytuacjach.
Złącze pn diody lawinowej jest zaprojektowane tak, aby zapobiegać koncentracji prądu i wynikającym z tego gorącym punktom, tak aby dioda nie została uszkodzona przez efekt lawinowy.
Zalety
Diody lawinowe są przydatne w wielu sytuacjach, takich jak ochrona obwodów, hałasowanie i znajdowanie fotonów.
Wykazują wyższy poziom czułości, wysoką wydajność i szybki czas reakcji, co czyni je idealnymi do stosowania w tych aplikacjach.
Mogą również chronić obwody przed napięciami, których nie powinno tam być, co czyni je przydatnymi w układach elektronicznych.
Wady
Ale jest kilka złych rzeczy związanych z używaniem diod lawinowych, o których powinieneś pomyśleć.
Obejmują one potrzebę znacznie wyższego napięcia roboczego, nieliniową moc wyjściową spowodowaną procesem lawinowym, znacznie wyższy poziom szumów oraz konieczność pracy z dużym polaryzacją wsteczną.
Diody lawinowe mogą również nie działać tak dobrze, jak inne typy diod, co w niektórych sytuacjach może stanowić problem.
Mimo że mają te problemy, diody lawinowe są nadal szeroko stosowane w niektórych sytuacjach ze względu na sposób ich działania.
Chociaż mogą nie być tak niezawodne jak inne typy diod, są przydatne w układach elektronicznych, ponieważ są czułe i szybko reagują.
Różnica między diodą lawinową a diodą PIN
Diody lawinowe i diody PIN są typami diod półprzewodnikowych, ale działają na bardzo różne sposoby.
Napięcie robocze
Napięcie robocze to duża różnica między tymi dwoma typami.
Diody lawinowe są przystosowane do pracy w obszarze odwrotnego przebicia, który wymaga wyższego napięcia niż normalny obszar roboczy.
Z drugiej strony diody PIN działają w obszarze spolaryzowanym w kierunku przewodzenia, który zwykle wymaga mniejszego napięcia.
Lepiej więc powiedzieć, że diody lawinowe potrzebują wyższego napięcia, aby dotrzeć do obszaru przebicia lawinowego, niż że potrzebują wyższego napięcia roboczego.
Hałas
Ze względu na sposób działania diody lawinowe mogą wytwarzać więcej hałasu.
Ale ten poziom hałasu można obniżyć, przykładając napięcie w kierunku przeciwnym do napięcia przebicia.
Z drugiej strony diody PIN są zwykle używane, ponieważ wytwarzają mniej hałasu, ale nadal mogą hałasować w zależności od tego, jak są używane.
Struktura wewnętrzna
Diody lawinowe mają wewnątrz miejsce, w którym elektrony namnażają się, gdy z zewnątrz przyłożone jest napięcie wsteczne.
Dzięki temu wewnętrzne wzmocnienie jest od 10 do 100 razy większe.
Z drugiej strony diody PIN mają wewnętrzny obszar, który ma większy obszar wyczerpania i mniejszą pojemność niż standardowa dioda pn.
Oznacza to, że diody PIN są bardziej czułe i szybciej reagują.
Wymagania dotyczące napięcia
Diody lawinowe mają napięcie polaryzacji wstecznej, które jest znacznie wyższe, od 100 do 200 woltów dla krzemu.
Z drugiej strony dioda PIN działa przy niskim napięciu i jest dobra dla urządzeń o niskim poborze mocy.
Ogólnie rzecz biorąc, diody lawinowe i diody PIN są wykonane w podobny sposób, ale ich różne sposoby działania oznaczają, że są używane w różnych sytuacjach.
Diody lawinowe mogą być stosowane przy wysokich napięciach, aw układach optoelektronicznych jako detektory fotonów o dużym wzmocnieniu.
Z drugiej strony diody PIN są lepsze do zastosowań o niskim poborze mocy i wysokiej częstotliwości, które wymagają zarówno niskiego poziomu hałasu, jak i dużej szybkości.
Diody lawinowe o niskim poziomie szumów
Fotodiody lawinowe to prawidłowa nazwa niskoszumnych diod lawinowych (APD).
APD to półprzewodnikowe detektory fotodiod, które wykorzystują efekt fotoelektryczny do przekształcania światła w energię elektryczną. Są bardzo wrażliwi.
Wyróżniają się wysokim stosunkiem sygnału do szumu (SNR), krótkim czasem reakcji, niskim prądem ciemnym i wysoką czułością.
Zastosowania APD
APD są używane do wielu różnych rzeczy, takich jak:
- Dalmierze laserowe.
- Badania korelacji fotonów.
- Systemy komunikacji światłowodami.
- Lidar.
- Skanery do PET, czyli pozytonowej tomografii emisyjnej.
Obwód polaryzacji o niskim poziomie szumów
Wzmocnienie APD jest kontrolowane przez napięcie, które jest przykładane do złącza w przeciwnym kierunku. Aby utrzymać stałe wzmocnienie i niski poziom szumów, napięcie to musi być dokładnie kontrolowane.
Aby to zrobić, napięcie polaryzacji dla APD może być wytwarzane i kontrolowane przez obwód polaryzacji o niskim poziomie szumów. Ten obwód wykorzystuje przetwornicę podwyższającą PWM o stałej częstotliwości i niskim poziomie szumów
Mikrokontroler odczytujący termistor kompensuje temperaturę.
Nadmierny współczynnik szumów
W porównaniu do fotodiod PIN, APD mają więcej szumów, ponieważ statystyki procesu lawinowego powodują wahania prądu.
Współczynnik nadmiernego szumu to sposób na obliczenie, o ile więcej hałasu ma APD niż detektor z ograniczonym hałasem wystrzału.
Fotodiody lawinowe
Wysoce czuły detektor fotodiody półprzewodnikowej, fotodioda lawinowa (APD), wykorzystuje efekt fotoelektryczny do przekształcania światła w energię elektryczną.
APD działa z dużym odwróceniem polaryzacji, co pozwala dziurom i elektronom powstałym, gdy uderza w nie foton lub światło, mnoży się jak lawina.
Dzięki temu możliwe jest kilkukrotne zwiększenie wzmocnienia fotodiody, co daje jej szeroki zakres czułości.
Jak działa proces multiplikacji lawinowej w APD
Proces lawinowy rozpoczyna się, gdy foton zostanie pochłonięty, a elektron lub dziura zostaną zjonizowane, gdy w coś uderzą.
Pole elektryczne daje powstałym nośnikom wystarczającą ilość energii do wytworzenia nośników wtórnych poprzez jonizację uderzeniową.
Proces ten powoduje zalew par elektron-dziura, co daje silniejszy sygnał niż sama bezpośrednia absorpcja.
Wzmocnienie APD jest równe stosunkowi całkowitej liczby elektronów i dziur powstałych w procesie lawinowym do liczby fotonów zaabsorbowanych przez urządzenie.
Zalety i wady
Główną zaletą fotodiody lawinowej jest to, że jest bardzo czuła i może odbierać sygnały o niskim poziomie.
APD jest bardziej czuły niż inne fotodiody półprzewodnikowe i może być używany w miejscach, w których inne fotodiody mogą nie być w stanie osiągnąć tego samego poziomu czułości.
W porównaniu z innymi typami fotodiod, APD reaguje również szybciej i ma mniejszy przepływ prądu, gdy nie jest używany.
APD mają jednak pewne problemy.
- Jednym z głównych problemów z APD jest to, że w porównaniu z innymi fotodiodami wymaga on wyższego napięcia do działania.
- Ze względu na zwielokrotnienie nośnej, APD powodują również więcej hałasu niż powinny.
- Zastosowanie właściwych technik projektowania i warunków eksploatacji może ograniczyć hałas.
- Wreszcie, APD nie ma wyjścia liniowego, co może utrudniać korzystanie z niego w niektórych sytuacjach.
Przypadków użycia
| Stosuje się w: | Opis: |
|---|---|
| Regulatory napięcia | Diody lawinowe mogą służyć do sterowania napięciem w obwodach elektronicznych poprzez zapewnienie stabilnego napięcia odniesienia. Mogą być używane jako regulator bocznikowy do utrzymywania stałego napięcia w obwodzie lub jako regulator szeregowy do utrzymywania stabilnego napięcia wyjściowego, nawet jeśli napięcie się zmienia. |
| Generatory impulsów | Diody lawinowe mogą być używane do wytwarzania krótkich impulsów wysokiego napięcia w generatorach impulsów. W przypadku skoku napięcia dioda przechodzi w stan przebicia lawinowego i wykonuje ostry impuls z szybkim czasem narastania. Jest to przydatne w przypadku radarów, które wymagają impulsów o wysokiej częstotliwości. |
| Urządzenia mikrofalowe | Diody IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) i TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) wykorzystują diody lawinowe. Diody te wysyłają sygnały o wysokiej częstotliwości w zakresie mikrofal. Sygnały te są wykorzystywane w systemach radarowych, systemach komunikacji satelitarnej i innych zastosowaniach o wysokiej częstotliwości. |
| Ochrona przed przepięciami | Diody lawinowe mogą być stosowane w ochronnikach przeciwprzepięciowych do ochrony urządzeń elektronicznych przed skokami napięcia i przejściowymi przepięciami. Mogą blokować napięcie na określonym poziomie i zapobiegać uszkodzeniu urządzenia przez wysokie napięcie. |
| Wzmacniacze RF | Wzmacniacze częstotliwości radiowych (RF) mogą wykorzystywać diody lawinowe do wytwarzania sygnałów RF o dużej mocy. W tym przypadku dioda przechodzi w obszar przebicia lawinowego, co powoduje szybki wzrost prądu i wytwarzanie silnego sygnału RF. |
| Detektory promieniowania rentgenowskiego i gamma | Diody lawinowe mogą znaleźć zastosowanie w obrazowaniu medycznym i innych miejscach jako detektory promieniowania rentgenowskiego i gamma. Fotony o dużej energii są wychwytywane przez diodę, która wysyła impuls prądu, który można wykorzystać do pomiaru energii promieniowania. |
Inne zastosowania:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Wniosek
Gdy ten artykuł dobiega końca, staje się jasne, że diody lawinowe są ważnymi częściami wielu układów elektronicznych.
Ze względu na to, jak są wykonane i co potrafią, są przydatnymi narzędziami dla każdego inżyniera.
Ale, jak każda inna technologia, stosowanie diod lawinowych ma zarówno zalety, jak i wady, i ważne jest, aby dokładnie je rozważyć w każdym zastosowaniu.
Jako inżynierowie zawsze szukamy najnowszych i najlepszych technologii, które pomogą nam projektować lepsze systemy.
Ale ważne jest również, aby zachować pamiętać, że podstawy elektroniki istnieją od dawna i są tak samo ważne dzisiaj, jak były wtedy.
Niezależnie więc od tego, czy jesteś doświadczonym inżynierem, czy dopiero zaczynasz, ważne jest, aby wiedzieć, jak działają diody lawinowe we współczesnej elektronice.
W ten sposób będziesz w stanie lepiej projektować systemy, które działają dobrze i są niezawodne dla twoich aplikacji.
Chociaż technologia się zmienia, podstawowe zasady elektroniki pozostają takie same.
Podziel się na…
