Entendendo Os Diodos De Avalanche: Um Guia Para Engenheiros

Como engenheiro, voc√™ sabe como os diodos s√£o importantes para o funcionamento dos circuitos eletr√īnicos.

Mas voc√™ sabe sobre o diodo avalanche? Os diodos de avalanche s√£o diferentes dos diodos comuns porque possuem um recurso especial que permite realizar v√°rias tarefas diferentes em aplica√ß√Ķes de alta tens√£o.

Ent√£o 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 tens√£o 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 s√£o feitos para funcionar na regi√£o 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.

√Č frequentemente usado como um detector de f√≥tons de alto ganho em aplica√ß√Ķes de baixa luminosidade, como sistemas de comunica√ß√£o de fibra √≥ptica 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 bot√£o de legenda se precisar.

Aplica√ß√Ķes dos diodos de avalanche

Dispositivos de Proteção e Reguladores de Tensão

Na maioria das vezes, os diodos de avalanche s√£o usados ‚Äč‚Äčpara proteger pe√ßas eletr√īnicas sens√≠veis de serem danificadas por alta tens√£o ou surtos de corrente em circuitos eletr√īnicos.

Eles tamb√©m podem ser usados ‚Äč‚Äčpara controlar a tens√£o em uma carga em circuitos, onde trabalham na regi√£o de ruptura reversa.

Fontes de Ruído em Circuitos de RF e Microondas

Em circuitos de RF e micro-ondas, os diodos de avalanche s√£o frequentemente usados ‚Äč‚Äčcomo fontes de ru√≠do.

Durante o processo de quebra da avalanche, elétrons e buracos são feitos aleatoriamente, o que gera ruído branco

Isso os torna √ļteis para comunica√ß√£o e guerra eletr√īnica.

Dispositivos de comutação de alta velocidade em circuitos digitais

Em circuitos digitais, os diodos de avalanche s√£o usados ‚Äč‚Äčcomo interruptores de alta velocidade que podem ligar e desligar em um per√≠odo de tempo muito curto, chamado picossegundo.

Por causa disso, eles podem ser usados ‚Äč‚Äčpara coisas como transfer√™ncia de dados em alta velocidade e processamento de sinal digital.

Detectores de f√≥tons de alto ganho em sistemas optoeletr√īnicos

Fotodiodos de avalanche (APDs) são dispositivos semicondutores feitos para funcionar na região de quebra de avalanche quando os fótons são absorvidos pelo diodo.

APDs s√£o usados ‚Äč‚Äčem sistemas de comunica√ß√£o de fibra √≥ptica, sistemas de alcance de laser e outras aplica√ß√Ķes de baixo n√≠vel de luz como detectores de f√≥tons de alto ganho.

Queda de tens√£o 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 tens√£o entre 1 e 2 volts.

Coeficiente de temperatura de tens√£o

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 tens√£o entre 0,15 V e 0,45 V.

A tens√£o direta para diodos de sil√≠cio √© de 0,7 V e para diodos de germ√Ęnio √© 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 t√™m v√°rias vantagens sobre os diodos normais. Eles duram mais do que a maioria dos diodos, o que os torna mais confi√°veis ‚Äč‚Äčquando usados ‚Äč‚Äčem determinadas situa√ß√Ķes.

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 s√£o √ļteis em v√°rias situa√ß√Ķes, como prote√ß√£o de circuitos, emiss√£o de ru√≠do e localiza√ß√£o de f√≥tons.

Eles apresentam maior n√≠vel de sensibilidade, alto desempenho e tempo de resposta r√°pido, tornando-os ideais para uso nessas aplica√ß√Ķes.

Eles tamb√©m podem proteger circuitos de tens√Ķes que n√£o deveriam existir, o que os torna √ļteis em sistemas eletr√īnicos.

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 tamb√©m podem n√£o funcionar t√£o bem quanto outros tipos de diodos, o que pode ser um problema em algumas situa√ß√Ķes.

Mesmo tendo esses problemas, os diodos de avalanche ainda s√£o amplamente utilizados em certas situa√ß√Ķes devido √† forma como funcionam.

Embora possam n√£o ser t√£o confi√°veis ‚Äč‚Äčquanto outros tipos de diodos, eles s√£o √ļteis em sistemas eletr√īnicos porque s√£o sens√≠veis e respondem rapidamente.

Diferença entre diodo de avalanche e diodo PIN

Os diodos Avalanche e os diodos PIN s√£o tipos de diodos semicondutores, mas funcionam de maneiras muito diferentes.

Tens√£o 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, s√£o geralmente usados ‚Äč‚Äčporque fazem menos ru√≠do, mas ainda podem fazer algum ru√≠do dependendo de como est√£o 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 regi√£o intr√≠nseca que possui uma regi√£o de deple√ß√£o maior e menos capacit√Ęncia do que um diodo pn padr√£o.

Isso significa que os diodos PIN são mais sensíveis e respondem mais rapidamente.

Requisitos de Tens√£o

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 s√£o feitos de maneira semelhante, mas suas diferentes formas de funcionamento significam que s√£o usados ‚Äč‚Äčem situa√ß√Ķes diferentes.

Os diodos de avalanche podem ser usados ‚Äč‚Äčcom altas tens√Ķes e, em sistemas optoeletr√īnicos, podem ser usados ‚Äč‚Äčcomo detectores de f√≥tons 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.

Aplica√ß√Ķes de APDs

APDs s√£o usados ‚Äč‚Äčpara muitas coisas diferentes, como:

  • Localizadores de alcance a laser.
  • Estudos de correla√ß√£o de f√≥tons.
  • Sistemas de comunica√ß√£o com fibra √≥tica.
  • Lidar.
  • Scanners para PET ou tomografia por emiss√£o de p√≥sitrons.

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 t√™m mais ru√≠do porque as estat√≠sticas do processo de avalanche causam flutua√ß√Ķes 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 v√°rias 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 √© igual √† raz√£o entre o n√ļmero total de el√©trons e buracos feitos pelo processo de avalanche e o n√ļmero de f√≥tons 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 √© que, em compara√ß√£o com outros fotodiodos, ele precisa de uma tens√£o maior para funcionar.
  • Devido √† multiplica√ß√£o de portadoras, os APDs tamb√©m fazem mais ru√≠do do que deveriam.
  • O uso das t√©cnicas de design e condi√ß√Ķes de opera√ß√£o corretas pode reduzir o ru√≠do.
  • Por fim, um APD n√£o possui uma sa√≠da linear, o que pode dificultar seu uso em algumas situa√ß√Ķes.

Casos de uso

Usado em:Descrição:
Reguladores de Tens√£oOs diodos de avalanche podem ser usados ‚Äč‚Äčpara controlar a tens√£o em circuitos eletr√īnicos, fornecendo uma tens√£o de refer√™ncia est√°vel. Eles podem ser usados ‚Äč‚Äčcomo um regulador de deriva√ß√£o para manter a tens√£o constante em todo o circuito ou como um regulador em s√©rie para manter a tens√£o de sa√≠da est√°vel, mesmo que a tens√£o de entrada mude.
Geradores de PulsoOs diodos de avalanche podem ser usados ‚Äč‚Äčpara fazer rajadas curtas de alta tens√£o em geradores de pulso. Quando ocorre um pico de tens√£o, o diodo entra em colapso de avalanche e faz um pulso agudo com um tempo de subida r√°pido. Isso √© √ļtil para coisas como radar, que precisam de pulsos de alta frequ√™ncia.
Dispositivos de microondasOs diodos IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) e TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) usam diodos de avalanche. Esses diodos enviam sinais de alta frequ√™ncia na faixa de micro-ondas. Esses sinais s√£o usados ‚Äč‚Äčem sistemas de radar, sistemas de comunica√ß√£o via sat√©lite e outras aplica√ß√Ķes de alta frequ√™ncia.
Prote√ß√£o contra surtosOs diodos de avalanche podem ser usados ‚Äč‚Äčem protetores contra surtos para proteger dispositivos eletr√īnicos contra picos de tens√£o e sobretens√Ķes transit√≥rias. Eles podem prender a tens√£o em um determinado n√≠vel e evitar que o dispositivo seja danificado por alta tens√£o.
Amplificadores de RFOs 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 gamaOs diodos de avalanche podem ser usados ‚Äč‚Äčem imagens m√©dicas e em outros locais como detectores de raios X e raios gama. F√≥tons com muita energia s√£o captados pelo diodo, que emite um pulso de corrente que pode ser usado para medir a energia da radia√ß√£o.

Outros usos:

https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode

Conclus√£o

Quando este artigo chega ao fim, fica claro que os diodos de avalanche s√£o partes importantes de muitos sistemas eletr√īnicos.

Pela forma como s√£o feitos e pelo que podem fazer, s√£o ferramentas √ļteis 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 tamb√©m √© importante manter em mente que os fundamentos da eletr√īnica existem h√° muito tempo e s√£o t√£o importantes hoje quanto eram naquela √©poca.

Portanto, seja voc√™ um engenheiro experiente ou apenas iniciante, √© importante saber como os diodos de avalanche funcionam na eletr√īnica moderna.

Ao fazer isso, voc√™ estar√° mais apto a projetar sistemas que funcionem bem e sejam confi√°veis ‚Äč‚Äčpara suas aplica√ß√Ķes.

Embora a tecnologia mude, as regras b√°sicas da eletr√īnica permanecem as mesmas.

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