Ca inginer, știi cât de importante sunt diodele pentru modul în care funcționează circuitele electronice.
Dar știi despre dioda de avalanșă? Diodele de avalanșă sunt diferite de diodele obișnuite, deoarece au o caracteristică specială care le permite să facă o serie de sarcini diferite în aplicații de înaltă tensiune.
Prin urmare, puneți-vă centura și pregătiți-vă să vă scufundați în lumea fascinantă a diodelor de avalanșă!
Introducere în dioda avalanșă
Definiție formală:
O diodă de defalcare a semiconductoarelor, de obicei realizată din siliciu, în care avalanșa are loc pe întreaga joncțiune pn și căderea de tensiune este apoi în esență constantă și independentă de curent; cele mai importante două tipuri sunt diodele IMPATT și TRAPATT.
O diodă de avalanșă este un tip de diodă semiconductoare care este făcută să se descompună într-o avalanșă la o anumită tensiune.
Atunci când tensiunea pe o diodă depășește o anumită valoare, are loc o avalanșă.
Constructie
O diodă Zener și o diodă de avalanșă sunt ambele realizate în același mod, dar cantitatea de dopaj într-o diodă de avalanșă este diferită de cea dintr-o diodă Zener.
Joncțiunea unei diode de avalanșă este făcută pentru a opri concentrarea curentului și punctele fierbinți care provin din aceasta, astfel încât efectul de avalanșă să nu afecteze dioda.
Principiul de funcționare al diodei de avalanșă
Diodele de avalanșă sunt făcute să funcționeze în regiunea de defecțiune inversă, unde pot transporta un curent mare fără a fi deteriorate.
Joncțiunea pn a unei diode de avalanșă este făcută pentru a opri concentrarea curentului și punctele fierbinți care provin din aceasta, astfel încât efectul de avalanșă să nu afecteze dioda.
Atunci când o tensiune de polarizare inversă este aplicată diodei de avalanșă, aceasta atinge tensiunea de defalcare și intră în regiunea de defectare a avalanșei, unde poate transporta un curent mare fără a fi deteriorată.
Defalcarea avalanșei are loc atunci când tensiunea pe diodă este mai mare decât o anumită valoare, ceea ce face ca curentul să crească rapid.
Înmulțirea avalanșelor produce mai mulți electroni și ioni liberi, ceea ce face ca o cantitate mare de curent să circule prin dispozitiv.
Tipuri de diode de avalanșă
Diodă Zener
Dioda Zener este un tip de diodă care arată efectul de defalcare Zener atunci când tensiunea pe diodă depășește un anumit nivel.
Un câmp electric ridicat peste diodă provoacă efectul de defalcare Zener, care este un tip de defalcare a avalanșelor.
Dioda Zener este folosită în principal pentru a controla tensiunea, a proteja împotriva supratensiunii și a produce zgomot.
Fotodiodă avalanșă
Fotodioda de avalanșă este un tip de diodă semiconductoare care este făcută să funcționeze în regiunea de defalcare a avalanșei.
Este adesea folosit ca detector de fotoni cu câștig mare în aplicații cu lumină scăzută, cum ar fi sistemele de comunicații cu fibră optică și dispozitivele de imagistică.
Când fotonii sunt captați de diodă, aceștia creează perechi electron-gaură
Câmpul electric ridicat din diodă poate accelera apoi aceste perechi electron-gaură, provocând un val de purtători de sarcină.
Diferența dintre Zener și Avalanche Breakdown
Modul în care se întâmplă defalcarea Zener și avalanșa este principala diferență între cele două.
Defalcarea Zener are loc atunci când există un câmp electric puternic în regiunea de epuizare a diodei
Defalcarea avalanșei are loc atunci când electronii liberi lovesc atomii din diodă.
Cantitatea de dopaj dintr-o diodă determină tensiunea de defalcare Zener, în timp ce lățimea regiunii de epuizare determină tensiunea de defectare a avalanșei.
Video: DIODE! Tot felul de ele și cum funcționează
Sfat: activați butonul de subtitrare dacă aveți nevoie de el.
Aplicații ale diodelor de avalanșă
Dispozitive de protecție și regulatoare de tensiune
De cele mai multe ori, diodele de avalanșă sunt folosite pentru a proteja piesele electronice sensibile împotriva deteriorării de la supratensiunile înalte sau de curent în circuitele electronice.
Ele pot fi, de asemenea, utilizate pentru a controla tensiunea pe o sarcină în circuite, unde funcționează în regiunea de defecțiune inversă.
Surse de zgomot în circuitele RF și cu microunde
În circuitele RF și cu microunde, diodele de avalanșă sunt adesea folosite ca surse de zgomot.
În timpul procesului de defalcare a avalanșei, electronii și găurile sunt făcute la întâmplare, ceea ce face zgomot alb
Acest lucru le face utile pentru comunicare și război electronic.
Dispozitive de comutare de mare viteză în circuite digitale
În circuitele digitale, diodele de avalanșă sunt folosite ca comutatoare de mare viteză care se pot porni și opri într-un timp foarte scurt, numit picosecundă.
Din acest motiv, ele pot fi utilizate pentru lucruri precum transferul de date de mare viteză și procesarea semnalului digital.
Detectoare de fotoni cu câștig ridicat în sisteme optoelectronice
Fotodiodele de avalanșă (APD) sunt dispozitive semiconductoare care sunt făcute să funcționeze în regiunea de defalcare a avalanșei atunci când fotonii sunt absorbiți de diodă.
APD-urile sunt utilizate în sistemele de comunicații prin fibră optică, sistemele de rază laser și alte aplicații cu nivel scăzut de lumină ca detectoare de fotoni cu câștig mare.
Căderea de tensiune în diodele de avalanșă
Diodele de avalanșă sunt concepute pentru a profita de efectul de avalanșă, astfel încât au o cădere mică, dar vizibilă de tensiune atunci când se defectează.
Diodele Zener, pe de altă parte, păstrează întotdeauna tensiunea deasupra punctului în care se defectează.
Majoritatea diodelor de avalanșă au o cădere de tensiune între 1 și 2 volți.
Coeficientul de temperatură al tensiunii
Diodele Zener au un coeficient de temperatură mic de tensiune care este negativ, în timp ce diodele Avalanșă au un coeficient de temperatură mic de tensiune care este pozitiv.
Aceasta înseamnă că, pe măsură ce temperatura crește, scăderea de tensiune într-o diodă de avalanșă va crește ușor, în timp ce scăderea de tensiune într-o diodă Zener va scădea pe măsură ce temperatura crește.
Comparație cu alte diode
Majoritatea diodelor Schottky au o cădere de tensiune între 0,15V și 0,45V.
Tensiunea directă pentru diodele de siliciu este de 0,7 V, iar pentru diodele cu germaniu este de 0,3 V.
Deoarece căderea de tensiune directă pe o diodă de siliciu este aproape constantă la aproximativ 0,7 V, în timp ce curentul prin aceasta variază în cantități relativ mari, o diodă de siliciu polarizată direct poate fi utilizată ca sursă de tensiune constantă.
Avantajele și dezavantajele utilizării diodelor de avalanșă
Diodele de avalanșă au mai multe avantaje față de diodele normale. Ele durează mai mult decât majoritatea diodelor, ceea ce le face mai fiabile atunci când sunt utilizate în anumite situații.
Joncțiunea pn a unei diode de avalanșă este proiectată pentru a preveni concentrarea curentului și punctele fierbinți rezultate, astfel încât dioda să nu fie deteriorată de efectul de avalanșă.
Avantajele
Diodele de avalanșă sunt utile într-o serie de situații, cum ar fi protejarea circuitelor, producerea de zgomot și găsirea fotonilor.
Ele prezintă un nivel mai mare de sensibilitate, performanță ridicată și timp de răspuns rapid, făcându-le ideale pentru utilizarea în aceste aplicații.
De asemenea, pot proteja circuitele de tensiuni care nu ar trebui să existe, ceea ce le face utile în sistemele electronice.
Dezavantajele
Dar există câteva lucruri rele despre utilizarea diodelor de avalanșă la care ar trebui să vă gândiți.
Acestea includ necesitatea unei tensiuni de funcționare mult mai ridicate, o ieșire neliniară cauzată de procesul de avalanșă, un nivel mult mai ridicat de zgomot și nevoia de polarizare inversă mare pentru a funcționa.
Este posibil ca și diodele de avalanșă să nu funcționeze la fel de bine ca și alte tipuri de diode, ceea ce ar putea fi o problemă în unele situații.
Chiar dacă au aceste probleme, diodele de avalanșă sunt încă utilizate pe scară largă în anumite situații datorită modului în care funcționează.
Chiar dacă pot să nu fie la fel de fiabile ca alte tipuri de diode, ele sunt utile în sistemele electronice deoarece sunt sensibile și răspund rapid.
Diferența dintre dioda avalanșă și dioda PIN
Diodele avalanșă și diodele PIN sunt ambele tipuri de diode semiconductoare, dar funcționează în moduri foarte diferite.
Tensiune de operare
Tensiunea de funcționare este o diferență mare între cele două tipuri.
Diodele de avalanșă sunt făcute să funcționeze în regiunea de defecțiune inversă, care necesită o tensiune mai mare decât regiunea normală de funcționare.
Diodele PIN, pe de altă parte, funcționează în regiunea polarizată direct, care de obicei necesită mai puțină tensiune.
Deci, este mai bine să spunem că diodele de avalanșă au nevoie de o tensiune mai mare pentru a ajunge în regiunea de defalcare a avalanșei decât că au nevoie de o tensiune de funcționare mai mare.
Zgomot
Datorită modului în care funcționează, diodele de avalanșă pot face mai mult zgomot.
Dar acest nivel de zgomot poate fi redus prin aplicarea unei tensiuni în direcția opusă tensiunii de avarie.
Diodele PIN, pe de altă parte, sunt de obicei folosite pentru că fac mai puțin zgomot, dar pot face totuși ceva zgomot în funcție de modul în care sunt utilizate.
Structura interna
Diodele de avalanșă au un loc în interior unde electronii se înmulțesc atunci când se aplică o tensiune inversă din exterior.
Acest lucru face amplificarea internă între 10 și 100 de ori mai mare.
Pe de altă parte, diodele PIN au o regiune intrinsecă care are o regiune de epuizare mai mare și o capacitate mai mică decât o diodă pn standard.
Aceasta înseamnă că diodele PIN sunt mai sensibile și răspund mai rapid.
Cerințe de tensiune
Diodele de avalanșă au o tensiune de polarizare inversă care este mult mai mare, între 100 și 200 de volți pentru siliciu.
Dioda PIN, pe de altă parte, funcționează la o tensiune scăzută și este bună pentru dispozitivele cu putere redusă.
În general, diodele de avalanșă și diodele PIN sunt realizate în moduri similare, dar modurile lor diferite de lucru înseamnă că sunt utilizate în situații diferite.
Diodele de avalanșă pot fi folosite cu tensiuni înalte, iar în sistemele optoelectronice pot fi folosite ca detectoare de fotoni cu câștig mare.
Pe de altă parte, diodele PIN sunt mai bune pentru aplicații cu putere redusă, de înaltă frecvență, care necesită atât zgomot redus, cât și viteză mare.
Diode de avalanșă cu zgomot redus
Fotodiodele de avalanșă sunt denumirea corectă pentru diodele de avalanșă cu zgomot redus (APD).
APD-urile sunt detectoare cu fotodiode semiconductoare care folosesc efectul fotoelectric pentru a transforma lumina în electricitate. Sunt foarte sensibili.
Raportul lor ridicat semnal-zgomot (SNR), răspunsul rapid în timp, curentul de întuneric scăzut și sensibilitatea ridicată sunt ceea ce îi fac să iasă în evidență.
Aplicații ale APD-urilor
APD-urile sunt folosite pentru multe lucruri diferite, cum ar fi:
- Telemetru cu laser.
- Studii de corelare a fotonilor.
- Sisteme de comunicare cu fibră optică.
- Lidar.
- Scanere pentru PET sau tomografie cu emisie de pozitroni.
Circuit de polarizare cu zgomot redus
Câștigul unui APD este controlat de tensiunea care este pusă peste joncțiune în direcția opusă. Pentru a menține câștigul constant și nivelul de zgomot scăzut, această tensiune trebuie controlată cu atenție.
Pentru a face acest lucru, tensiunea de polarizare pentru APD poate fi realizată și controlată de un circuit de polarizare cu zgomot redus. Acest circuit folosește un convertor de amplificare PWM cu o frecvență fixă și zgomot redus
Un microcontroler care citește un termistor compensează temperatura.
Factor de zgomot în exces
În comparație cu fotodiodele PIN, APD-urile au mai mult zgomot deoarece statisticile procesului de avalanșă provoacă fluctuații de curent.
Factorul de zgomot în exces este o modalitate de a calcula cât mai mult zgomot are un APD decât un detector limitat de zgomot.
Fotodiode de avalanșă
Un detector de fotodiodă cu semiconductor extrem de sensibil, o fotodiodă de avalanșă (APD) utilizează efectul fotoelectric pentru a transforma lumina în electricitate.
APD funcționează cu o polarizare inversă mare, care permite găurilor și electronilor făcute atunci când un foton sau o lumină îl lovește să se înmulțească precum avalanșe.
Acest lucru face posibilă creșterea câștigului fotodiodei de mai multe ori, oferindu-i o gamă largă de sensibilitate.
Cum funcționează procesul de multiplicare a avalanșelor în APD-uri
Procesul de avalanșă începe atunci când un foton este absorbit și un electron sau o gaură este ionizată atunci când lovesc ceva.
Câmpul electric oferă purtătorilor rezultați suficientă energie pentru a face purtători secundari prin ionizare prin impact.
Acest proces face un val de perechi electron-gaură, care dă un semnal mai puternic decât absorbția directă singură.
Câștigul APD este egal cu raportul dintre numărul total de electroni și găuri făcute de procesul de avalanșă și numărul de fotoni absorbiți de dispozitiv.
Avantaje și dezavantaje
Principalul avantaj al unei fotodiode de avalanșă este că este foarte sensibilă și poate capta semnale de nivel scăzut.
APD-ul este mai sensibil decât alte fotodiode semiconductoare și poate fi folosit în locuri în care alte fotodiode ar putea să nu poată atinge același nivel de sensibilitate.
În comparație cu alte tipuri de fotodiode, APD-ul răspunde, de asemenea, mai rapid și are un flux de curent mai mic atunci când nu este utilizat.
APD-urile au unele probleme, totuși.
- Una dintre principalele probleme ale unui APD este că, în comparație cu alte fotodiode, are nevoie de o tensiune mai mare pentru a funcționa.
- Datorită înmulțirii purtătorilor, APD-urile fac, de asemenea, mai mult zgomot decât ar trebui.
- Utilizarea tehnicilor de proiectare și a condițiilor de operare potrivite poate reduce zgomotul.
- În cele din urmă, un APD nu are o ieșire liniară, ceea ce poate face mai greu de utilizat în anumite situații.
Cazuri de utilizare
| Folosit in: | Descriere: |
|---|---|
| Regulatoare de tensiune | Diodele de avalanșă pot fi utilizate pentru a controla tensiunea în circuitele electronice prin furnizarea unei tensiuni de referință stabile. Ele pot fi folosite ca un regulator de șunt pentru a menține tensiunea constantă pe circuit sau ca un regulator de serie pentru a menține tensiunea de ieșire stabilă, chiar dacă tensiunea care vine se modifică. |
| Generatoare de impulsuri | Diodele de avalanșă pot fi folosite pentru a face rafale scurte de înaltă tensiune în generatoarele de impulsuri. Când are loc o creștere a tensiunii, dioda intră în defalcare de avalanșă și emite un puls ascuțit cu un timp de creștere rapid. Acest lucru este util pentru lucruri precum radarele, care au nevoie de impulsuri cu o frecvență înaltă. |
| Dispozitive cu microunde | Diodele IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) și TRAPATT (Trapped Plasma Avalanche Triggered Transit) folosesc diode de avalanșă. Aceste diode trimit semnale de înaltă frecvență în domeniul microundelor. Aceste semnale sunt utilizate în sisteme radar, sisteme de comunicații prin satelit și alte aplicații de înaltă frecvență. |
| Protectie la supratensiune | Diodele de avalanșă pot fi utilizate în dispozitivele de protecție la supratensiune pentru a proteja dispozitivele electronice de vârfurile de tensiune și supratensiunile tranzitorii. Ele pot fixa tensiunea la un anumit nivel și pot împiedica deteriorarea dispozitivului de înaltă tensiune. |
| Amplificatoare RF | Amplificatoarele de radiofrecvență (RF) pot folosi diode de avalanșă pentru a produce semnale RF de mare putere. În acest caz, dioda intră în regiunea de defalcare a avalanșei, ceea ce face ca curentul să crească rapid și să emită un semnal RF puternic. |
| Detectoare de raze X și Gamma | Diodele de avalanșă pot fi utilizate în imagistica medicală și în alte locuri ca detectoare de raze X și gama. Fotonii cu multă energie sunt captați de diodă, care trimite un impuls de curent care poate fi folosit pentru a măsura energia radiației. |
Alte utilizări:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Concluzie
Pe măsură ce acest articol se apropie de sfârșit, este clar că diodele de avalanșă sunt părți importante ale multor sisteme electronice.
Datorită modului în care sunt făcute și a ceea ce pot face, sunt instrumente utile pentru orice inginer.
Dar, ca orice altă tehnologie, utilizarea diodelor de avalanșă are atât avantaje, cât și dezavantaje și este important să le cântăriți cu atenție în orice aplicație.
În calitate de ingineri, căutăm mereu cea mai nouă și cea mai bună tehnologie care să ne ajute să proiectăm sisteme mai bune.
Dar este și important să păstrați rețineți că elementele de bază ale electronicii există de mult timp și sunt la fel de importante astăzi ca și atunci.
Așadar, indiferent dacă sunteți un inginer cu experiență sau abia la început, este important să știți cum funcționează diodele de avalanșă în electronica modernă.
Procedând astfel, veți fi mai capabil să proiectați sisteme care funcționează bine și sunt de încredere pentru aplicațiile dvs.
Chiar dacă tehnologia se schimbă, regulile de bază ale electronicii rămân aceleași.
Distribuie pe…
