Como engenheiro, você sabe como os diodos são importantes para o funcionamento dos circuitos eletrônicos.
Mas você sabe sobre o diodo avalanche? Os diodos de avalanche são diferentes dos diodos comuns porque possuem um recurso especial que permite realizar várias tarefas diferentes em aplicações de alta tensão.
Então aperte o cinto e prepare-se para mergulhar no fascinante mundo dos diodos de avalanche!
Introdução ao diodo de avalanche
Definição formal:
Um diodo de quebra de semicondutor, geralmente feito de silício, no qual a quebra de avalanche ocorre em toda a junção pn e a queda de tensão é essencialmente constante e independente da corrente; os dois tipos mais importantes são os diodos IMPATT e TRAPATT.
Um diodo de avalanche é um tipo de diodo semicondutor que é feito para quebrar em uma avalanche em uma determinada tensão.
Quando a tensão em um diodo ultrapassa um determinado valor, ocorre uma avalanche.
Construção
Um diodo Zener e um diodo avalanche são feitos da mesma maneira, mas a quantidade de dopagem em um diodo avalanche é diferente daquela em um diodo Zener.
A junção de um diodo de avalanche é feita para interromper a concentração de corrente e os pontos quentes que vêm dela, para que o efeito de avalanche não prejudique o diodo.
Princípio de funcionamento do diodo de avalanche
Os diodos de avalanche são feitos para funcionar na região de ruptura reversa, onde podem transportar uma grande corrente sem serem danificados.
A junção pn de um diodo de avalanche é feita para interromper a concentração de corrente e os pontos quentes que vêm dela, para que o efeito de avalanche não prejudique o diodo.
Quando uma tensão de polarização reversa é aplicada ao diodo de avalanche, ele atinge a tensão de ruptura e vai para a região de ruptura de avalanche, onde pode transportar uma grande corrente sem ser danificado.
A quebra de avalanche acontece quando a tensão no diodo é maior que um determinado valor, o que faz com que a corrente suba rapidamente.
A multiplicação da avalanche libera mais elétrons e íons, o que faz com que uma grande quantidade de corrente flua pelo dispositivo.
Tipos de diodos de avalanche
Diodo Zener
O diodo Zener é um tipo de diodo que mostra o efeito de quebra do Zener quando a tensão no diodo ultrapassa um determinado nível.
Um alto campo elétrico através do diodo causa o efeito Zener, que é um tipo de avalanche.
O diodo Zener é usado principalmente para controlar a tensão, proteger contra surtos e fazer ruído.
Fotodiodo Avalanche
O fotodiodo de avalanche é um tipo de diodo semicondutor feito para funcionar na região de avalanche.
É frequentemente usado como um detector de fótons de alto ganho em aplicações de baixa luminosidade, como sistemas de comunicação de fibra óptica e dispositivos de imagem.
Quando os fótons são captados pelo diodo, eles criam pares elétron-buraco
O alto campo elétrico no diodo pode acelerar esses pares elétron-buraco, causando uma inundação de portadores de carga.
Diferença entre Zener e Avalanche Breakdown
A maneira como o colapso do Zener e o colapso da avalanche acontecem é a principal diferença entre os dois.
A quebra do Zener ocorre quando há um forte campo elétrico na região de depleção do diodo
A quebra de avalanche acontece quando elétrons livres atingem átomos no diodo.
A quantidade de dopagem em um diodo determina a tensão de ruptura do Zener, enquanto a largura da região de depleção determina a tensão de ruptura da avalanche.
Vídeo: DIODOS! Todos os tipos deles e como eles funcionam
Dica: Ative o botão de legenda se precisar.
Aplicações dos diodos de avalanche
Dispositivos de Proteção e Reguladores de Tensão
Na maioria das vezes, os diodos de avalanche são usados para proteger peças eletrônicas sensíveis de serem danificadas por alta tensão ou surtos de corrente em circuitos eletrônicos.
Eles também podem ser usados para controlar a tensão em uma carga em circuitos, onde trabalham na região de ruptura reversa.
Fontes de Ruído em Circuitos de RF e Microondas
Em circuitos de RF e micro-ondas, os diodos de avalanche são frequentemente usados como fontes de ruído.
Durante o processo de quebra da avalanche, elétrons e buracos são feitos aleatoriamente, o que gera ruído branco
Isso os torna úteis para comunicação e guerra eletrônica.
Dispositivos de comutação de alta velocidade em circuitos digitais
Em circuitos digitais, os diodos de avalanche são usados como interruptores de alta velocidade que podem ligar e desligar em um período de tempo muito curto, chamado picossegundo.
Por causa disso, eles podem ser usados para coisas como transferência de dados em alta velocidade e processamento de sinal digital.
Detectores de fótons de alto ganho em sistemas optoeletrônicos
Fotodiodos de avalanche (APDs) são dispositivos semicondutores feitos para funcionar na região de quebra de avalanche quando os fótons são absorvidos pelo diodo.
APDs são usados em sistemas de comunicação de fibra óptica, sistemas de alcance de laser e outras aplicações de baixo nível de luz como detectores de fótons de alto ganho.
Queda de tensão em diodos de avalanche
Os diodos de avalanche são projetados para aproveitar o efeito de avalanche, portanto, eles apresentam uma queda de tensão pequena, mas perceptível, quando quebram.
Os diodos Zener, por outro lado, sempre mantêm a tensão acima do ponto onde eles quebram.
A maioria dos diodos de avalanche tem uma queda de tensão entre 1 e 2 volts.
Coeficiente de temperatura de tensão
Os diodos Zener têm um pequeno coeficiente de temperatura de tensão que é negativo, enquanto os diodos Avalanche têm um pequeno coeficiente de temperatura de tensão que é positivo.
Isso significa que, à medida que a temperatura aumenta, a queda de tensão em um diodo avalanche aumenta ligeiramente, enquanto a queda de tensão em um diodo Zener diminui à medida que a temperatura aumenta.
Comparação com outros diodos
A maioria dos diodos Schottky tem uma queda de tensão entre 0,15 V e 0,45 V.
A tensão direta para diodos de silício é de 0,7 V e para diodos de germânio é de 0,3 V.
Como a queda de tensão direta através de um diodo de silício é quase constante em cerca de 0,7v, enquanto a corrente através dele varia em quantidades relativamente grandes, um diodo de silício polarizado diretamente pode ser usado como uma fonte de tensão constante.
Vantagens e Desvantagens do Uso de Diodos Avalanche
Os diodos de avalanche têm várias vantagens sobre os diodos normais. Eles duram mais do que a maioria dos diodos, o que os torna mais confiáveis quando usados em determinadas situações.
A junção pn de um diodo de avalanche é projetada para evitar a concentração de corrente e os pontos quentes resultantes, de modo que o diodo não seja danificado pelo efeito de avalanche.
As vantagens
Os diodos de avalanche são úteis em várias situações, como proteção de circuitos, emissão de ruído e localização de fótons.
Eles apresentam maior nível de sensibilidade, alto desempenho e tempo de resposta rápido, tornando-os ideais para uso nessas aplicações.
Eles também podem proteger circuitos de tensões que não deveriam existir, o que os torna úteis em sistemas eletrônicos.
As desvantagens
Mas há algumas coisas ruins sobre o uso de diodos de avalanche que você deve pensar.
Isso inclui a necessidade de uma tensão operacional muito mais alta, uma saída não linear causada pelo processo de avalanche, um nível de ruído muito mais alto e a necessidade de uma alta polarização reversa para funcionar.
Os diodos de avalanche também podem não funcionar tão bem quanto outros tipos de diodos, o que pode ser um problema em algumas situações.
Mesmo tendo esses problemas, os diodos de avalanche ainda são amplamente utilizados em certas situações devido à forma como funcionam.
Embora possam não ser tão confiáveis quanto outros tipos de diodos, eles são úteis em sistemas eletrônicos porque são sensíveis e respondem rapidamente.
Diferença entre diodo de avalanche e diodo PIN
Os diodos Avalanche e os diodos PIN são tipos de diodos semicondutores, mas funcionam de maneiras muito diferentes.
Tensão operacional
A tensão de funcionamento é uma grande diferença entre os dois tipos.
Os diodos de avalanche são feitos para trabalhar na região de ruptura reversa, que precisa de uma tensão maior do que a região de operação normal.
Os diodos PIN, por outro lado, trabalham na região de polarização direta, que geralmente precisa de menos tensão.
Portanto, é melhor dizer que os diodos de avalanche precisam de uma tensão mais alta para atingir a região de ruptura da avalanche do que precisam de uma tensão operacional mais alta.
Barulho
Por causa de como eles funcionam, os diodos de avalanche podem fazer mais ruído.
Mas esse nível de ruído pode ser reduzido aplicando uma tensão na direção oposta à tensão de ruptura.
Os diodos PIN, por outro lado, são geralmente usados porque fazem menos ruído, mas ainda podem fazer algum ruído dependendo de como estão sendo usados.
Estrutura interna
Os diodos de avalanche têm um local interno onde os elétrons se multiplicam quando uma tensão reversa é aplicada do lado de fora.
Isso torna a amplificação interna entre 10 e 100 vezes maior.
Por outro lado, os diodos PIN possuem uma região intrínseca que possui uma região de depleção maior e menos capacitância do que um diodo pn padrão.
Isso significa que os diodos PIN são mais sensíveis e respondem mais rapidamente.
Requisitos de Tensão
Os diodos de avalanche têm uma tensão de polarização reversa muito maior, entre 100 e 200 volts para o silício.
O diodo PIN, por outro lado, funciona em baixa tensão e é bom para dispositivos de baixa potência.
No geral, os diodos de avalanche e os diodos PIN são feitos de maneira semelhante, mas suas diferentes formas de funcionamento significam que são usados em situações diferentes.
Os diodos de avalanche podem ser usados com altas tensões e, em sistemas optoeletrônicos, podem ser usados como detectores de fótons de alto ganho.
Por outro lado, os diodos PIN são melhores para aplicativos de baixa potência e alta frequência que precisam de baixo ruído e alta velocidade.
Diodos de avalanche de baixo ruído
Fotodiodos de avalanche são o nome correto para diodos de avalanche de baixo ruído (APDs).
APDs são detectores de fotodiodos semicondutores que usam o efeito fotoelétrico para transformar a luz em eletricidade. Eles são muito sensíveis.
Sua alta relação sinal-ruído (SNR), tempo de resposta rápido, baixa corrente escura e alta sensibilidade são o que os destacam.
Aplicações de APDs
APDs são usados para muitas coisas diferentes, como:
- Localizadores de alcance a laser.
- Estudos de correlação de fótons.
- Sistemas de comunicação com fibra ótica.
- Lidar.
- Scanners para PET ou tomografia por emissão de pósitrons.
Circuito de polarização de baixo ruído
O ganho de um APD é controlado pela tensão que é colocada na junção na direção oposta. Para manter o ganho estável e o nível de ruído baixo, essa tensão precisa ser cuidadosamente controlada.
Para fazer isso, a tensão de polarização para APDs pode ser feita e controlada por um circuito de polarização de baixo ruído. Este circuito usa um conversor boost PWM com frequência fixa e baixo ruído
Um microcontrolador que lê um termistor compensa a temperatura.
Fator de excesso de ruído
Comparados aos fotodiodos PIN, os APDs têm mais ruído porque as estatísticas do processo de avalanche causam flutuações de corrente.
O fator de excesso de ruído é uma maneira de calcular quanto mais ruído um APD tem do que um detector limitado por ruído de disparo.
Fotodiodos Avalanche
Um detector de fotodiodo semicondutor altamente sensível, um fotodiodo de avalanche (APD) usa o efeito fotoelétrico para transformar a luz em eletricidade.
O APD funciona com um alto viés reverso, que permite que os buracos e elétrons feitos quando um fóton ou luz o atinge se multipliquem como avalanches.
Isso permite aumentar várias vezes o ganho do fotodiodo, proporcionando uma ampla faixa de sensibilidade.
Como funciona o processo de multiplicação de avalanches em APDs
O processo de avalanche começa quando um fóton é absorvido e um elétron ou um buraco é ionizado quando atingem algo.
O campo elétrico dá aos portadores resultantes energia suficiente para fazer portadores secundários por meio de ionização de impacto.
Este processo cria uma inundação de pares elétron-buraco, o que dá um sinal mais forte do que a absorção direta sozinha.
O ganho do APD é igual à razão entre o número total de elétrons e buracos feitos pelo processo de avalanche e o número de fótons absorvidos pelo dispositivo.
Vantagens e desvantagens
O principal benefício de um fotodiodo de avalanche é que ele é muito sensível e pode captar sinais de baixo nível.
O APD é mais sensível do que outros fotodiodos semicondutores e pode ser usado em locais onde outros fotodiodos podem não conseguir atingir o mesmo nível de sensibilidade.
Comparado a outros tipos de fotodiodos, o APD também responde mais rápido e tem menos fluxo de corrente quando não está sendo usado.
APDs têm alguns problemas, no entanto.
- Um dos principais problemas de um APD é que, em comparação com outros fotodiodos, ele precisa de uma tensão maior para funcionar.
- Devido à multiplicação de portadoras, os APDs também fazem mais ruído do que deveriam.
- O uso das técnicas de design e condições de operação corretas pode reduzir o ruído.
- Por fim, um APD não possui uma saída linear, o que pode dificultar seu uso em algumas situações.
Casos de uso
| Usado em: | Descrição: |
|---|---|
| Reguladores de Tensão | Os diodos de avalanche podem ser usados para controlar a tensão em circuitos eletrônicos, fornecendo uma tensão de referência estável. Eles podem ser usados como um regulador de derivação para manter a tensão constante em todo o circuito ou como um regulador em série para manter a tensão de saída estável, mesmo que a tensão de entrada mude. |
| Geradores de Pulso | Os diodos de avalanche podem ser usados para fazer rajadas curtas de alta tensão em geradores de pulso. Quando ocorre um pico de tensão, o diodo entra em colapso de avalanche e faz um pulso agudo com um tempo de subida rápido. Isso é útil para coisas como radar, que precisam de pulsos de alta frequência. |
| Dispositivos de microondas | Os diodos IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) e TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) usam diodos de avalanche. Esses diodos enviam sinais de alta frequência na faixa de micro-ondas. Esses sinais são usados em sistemas de radar, sistemas de comunicação via satélite e outras aplicações de alta frequência. |
| Proteção contra surtos | Os diodos de avalanche podem ser usados em protetores contra surtos para proteger dispositivos eletrônicos contra picos de tensão e sobretensões transitórias. Eles podem prender a tensão em um determinado nível e evitar que o dispositivo seja danificado por alta tensão. |
| Amplificadores de RF | Os amplificadores de radiofrequência (RF) podem usar diodos de avalanche para produzir sinais de RF de alta potência. Nesse caso, o diodo vai para a região de quebra de avalanche, o que faz com que a corrente suba rapidamente e produza um forte sinal de RF. |
| Detectores de raios X e raios gama | Os diodos de avalanche podem ser usados em imagens médicas e em outros locais como detectores de raios X e raios gama. Fótons com muita energia são captados pelo diodo, que emite um pulso de corrente que pode ser usado para medir a energia da radiação. |
Outros usos:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Conclusão
Quando este artigo chega ao fim, fica claro que os diodos de avalanche são partes importantes de muitos sistemas eletrônicos.
Pela forma como são feitos e pelo que podem fazer, são ferramentas úteis para qualquer engenheiro.
Mas, como qualquer outra tecnologia, o uso de diodos de avalanche tem prós e contras, e é importante pesá-los cuidadosamente em qualquer aplicação.
Como engenheiros, estamos sempre procurando a mais nova e melhor tecnologia para nos ajudar a projetar sistemas melhores.
Mas também é importante manter em mente que os fundamentos da eletrônica existem há muito tempo e são tão importantes hoje quanto eram naquela época.
Portanto, seja você um engenheiro experiente ou apenas iniciante, é importante saber como os diodos de avalanche funcionam na eletrônica moderna.
Ao fazer isso, você estará mais apto a projetar sistemas que funcionem bem e sejam confiáveis para suas aplicações.
Embora a tecnologia mude, as regras básicas da eletrônica permanecem as mesmas.
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