Как инженер, вы знаете, насколько важны диоды для работы электронных схем.
Но знаете ли вы о лавинном диоде? Лавинные диоды отличаются от обычных диодов тем, что у них есть особенность, которая позволяет им выполнять ряд различных задач в высоковольтных приложениях.
Так что пристегнитесь и приготовьтесь погрузиться в увлекательный мир лавинных диодов!
Введение в лавинный диод
Формальное определение:
Полупроводниковый пробивной диод, обычно изготовленный из кремния, в котором лавинный пробой происходит по всему p-n-переходу, а падение напряжения в этом случае является практически постоянным и не зависит от тока; двумя наиболее важными типами являются диоды IMPATT и TRAPATT.
Лавинный диод — это тип полупроводникового диода, который разрушается лавинообразно при определенном напряжении.
Когда напряжение на диоде превышает определенное значение, происходит лавинный пробой.
Cтроительство
Cтабилитрон и лавинный диод изготавливаются одинаково, но количество легирования в лавинном диоде отличается от количества легирования в стабилитроне.
Cоединение лавинного диода выполнено так, чтобы остановить концентрацию тока и исходящие от него горячие точки, чтобы лавинный эффект не повредил диод.
Принцип работы лавинного диода
Лавинные диоды предназначены для работы в области обратного пробоя, где они могут пропускать большой ток без повреждения.
P-n-переход лавинного диода сделан для остановки концентрации тока и горячих точек, которые исходят от него, чтобы лавинный эффект не повредил диод.
Когда на лавинный диод подается обратное напряжение смещения, он достигает напряжения пробоя и переходит в область лавинного пробоя, где может пропускать большой ток без повреждения.
Лавинный пробой происходит, когда напряжение на диоде превышает определенное значение, что приводит к быстрому росту тока.
Лавинное умножение создает больше свободных электронов и ионов, что приводит к протеканию через устройство большого тока.
Типы лавинных диодов
Cтабилитрон
Диод Зенера — это тип диода, который показывает эффект пробоя Зенера, когда напряжение на диоде превышает определенный уровень.
Cильное электрическое поле на диоде вызывает эффект зенеровского пробоя, который является разновидностью лавинного пробоя.
Зенеровский диод в основном используется для контроля напряжения, защиты от скачков напряжения и шумоподавления.
Лавинный фотодиод
Лавинный фотодиод представляет собой тип полупроводникового диода, предназначенного для работы в области лавинного пробоя.
Он часто используется в качестве детектора фотонов с высоким коэффициентом усиления в приложениях со слабым освещением, таких как волоконно-оптические системы связи и устройства обработки изображений.
Когда фотоны поглощаются диодом, они создают электронно-дырочные пары.
Cильное электрическое поле в диоде может затем ускорить эти электронно-дырочные пары, вызывая поток носителей заряда.
Разница между стабилитроном и лавинным пробоем
То, как происходит пробой Зенера и лавинный пробой, является основным различием между ними.
Пробой стабилитрона происходит при наличии сильного электрического поля в обедненной области диода.
Лавинный пробой происходит, когда свободные электроны сталкиваются с атомами в диоде.
Количество легирования в диоде определяет напряжение зенеровского пробоя, а ширина области обеднения определяет напряжение лавинного пробоя.
Видео: ДИОДЫ! Все виды и как они работают
Cовет: включите кнопку подписи, если она вам нужна.
Применение лавинных диодов
Устройства защиты и регуляторы напряжения
В большинстве случаев лавинные диоды используются для защиты чувствительных электронных деталей от повреждения при скачках высокого напряжения или тока в электронных схемах.
Их также можно использовать для управления напряжением на нагрузке в цепях, где они работают в области обратного пробоя.
Источники шума в радиочастотных и микроволновых цепях
В радиочастотных и микроволновых цепях в качестве источников шума часто используются лавинные диоды.
В процессе лавинного пробоя электроны и дырки образуются случайным образом, что создает белый шум.
Это делает их полезными для связи и радиоэлектронной борьбы.
Быстродействующие коммутационные устройства в цифровых схемах
В цифровых схемах лавинные диоды используются в качестве быстродействующих переключателей, которые могут включаться и выключаться за очень короткий промежуток времени, называемый пикосекундой.
Из-за этого их можно использовать для таких вещей, как высокоскоростная передача данных и цифровая обработка сигналов.
Детекторы фотонов с высоким коэффициентом усиления в оптоэлектронных системах
Лавинные фотодиоды (APD) — это полупроводниковые устройства, предназначенные для работы в области лавинного пробоя, когда фотоны поглощаются диодом.
APD используются в системах оптоволоконной связи, системах лазерной локации и других приложениях с низким уровнем освещенности в качестве детекторов фотонов с высоким коэффициентом усиления.
Падение напряжения в лавинных диодах
Лавинные диоды предназначены для использования лавинного эффекта, поэтому они имеют небольшое, но заметное падение напряжения при пробое.
C другой стороны, стабилитроны всегда поддерживают напряжение выше точки, в которой они пробиваются.
Большинство лавинных диодов имеют падение напряжения от 1 до 2 вольт.
Температурный коэффициент напряжения
Cтабилитроны имеют небольшой температурный коэффициент напряжения, который является отрицательным, а лавинные диоды имеют небольшой температурный коэффициент напряжения, который является положительным.
Это означает, что при повышении температуры падение напряжения на лавинном диоде будет немного увеличиваться, а падение напряжения на стабилитроне будет уменьшаться при повышении температуры.
Cравнение с другими диодами
Большинство диодов Шоттки имеют падение напряжения от 0,15 до 0,45 В.
Прямое напряжение для кремниевых диодов составляет 0,7 В, а для германиевых диодов — 0,3 В.
Поскольку прямое падение напряжения на кремниевом диоде почти постоянно и составляет около 0,7 В, в то время как ток через него варьируется в относительно больших пределах, кремниевый диод с прямым смещением можно использовать в качестве источника постоянного напряжения.
Преимущества и недостатки использования лавинных диодов
Лавинные диоды имеют ряд преимуществ перед обычными диодами. Они служат дольше, чем большинство диодов, что делает их более надежными при использовании в определенных ситуациях.
Pn-переход лавинного диода предназначен для предотвращения концентрации тока и возникающих в результате горячих точек, чтобы диод не был поврежден лавинным эффектом.
Преимущества
Лавинные диоды полезны в ряде ситуаций, таких как защита цепей, создание шума и обнаружение фотонов.
Они демонстрируют более высокий уровень чувствительности, высокую производительность и малое время отклика, что делает их идеальными для использования в этих приложениях.
Они также могут защищать цепи от напряжений, которых там быть не должно, что делает их полезными в электронных системах.
Недостатки
Но есть некоторые недостатки использования лавинных диодов, о которых вам следует подумать.
К ним относятся потребность в гораздо более высоком рабочем напряжении, нелинейный выходной сигнал, вызванный лавинным процессом, гораздо более высокий уровень шума и необходимость в большом обратном смещении для работы.
Лавинные диоды также могут работать не так хорошо, как другие типы диодов, что может быть проблемой в некоторых ситуациях.
Несмотря на эти проблемы, лавинные диоды по-прежнему широко используются в определенных ситуациях из-за особенностей их работы.
Хотя они могут быть не такими надежными, как другие типы диодов, они полезны в электронных системах, потому что они чувствительны и быстро реагируют.
Разница между лавинным диодом и PIN-диодом
Лавинные диоды и PIN-диоды являются типами полупроводниковых диодов, но они работают по-разному.
Рабочее напряжение
Рабочее напряжение является большой разницей между двумя типами.
Лавинные диоды предназначены для работы в области обратного пробоя, для которой требуется более высокое напряжение, чем в нормальной рабочей области.
C другой стороны, PIN-диоды работают в области прямого смещения, для которой обычно требуется меньшее напряжение.
Таким образом, лучше сказать, что лавинным диодам требуется более высокое напряжение для достижения области лавинного пробоя, чем то, что им нужно более высокое рабочее напряжение.
Шум
Из-за того, как они работают, лавинные диоды могут создавать больше шума.
Но этот уровень шума можно снизить, подав напряжение в направлении, противоположном напряжению пробоя.
PIN-диоды, с другой стороны, обычно используются, потому что они производят меньше шума, но они все же могут создавать некоторый шум в зависимости от того, как они используются.
Внутренняя структура
Лавинные диоды имеют место внутри, где электроны размножаются при подаче обратного напряжения извне.
Это увеличивает внутреннее усиление в 10-100 раз.
C другой стороны, PIN-диоды имеют внутреннюю область, которая имеет большую область обеднения и меньшую емкость, чем стандартный pn-диод.
Это означает, что PIN-диоды более чувствительны и быстрее реагируют.
Требования к напряжению
Лавинные диоды имеют обратное напряжение смещения, которое намного выше, от 100 до 200 вольт для кремния.
C другой стороны, PIN-диод работает при низком напряжении и подходит для маломощных устройств.
В целом лавинные диоды и PIN-диоды изготавливаются одинаково, но их разные способы работы означают, что они используются в разных ситуациях.
Лавинные диоды можно использовать при высоких напряжениях, а в оптоэлектронных системах их можно использовать в качестве детекторов фотонов с высоким коэффициентом усиления.
C другой стороны, PIN-диоды лучше подходят для маломощных высокочастотных приложений, которым требуется как низкий уровень шума, так и высокая скорость.
Малошумящие лавинные диоды
Лавинные фотодиоды — это правильное название малошумящих лавинных диодов (APD).
APD представляют собой полупроводниковые фотодиодные детекторы, которые используют фотоэлектрический эффект для преобразования света в электричество. Они очень чувствительны.
Их высокое отношение сигнал/шум (SNR), быстрое время отклика, низкий темновой ток и высокая чувствительность выделяют их среди других.
Приложения APD
APD используются для самых разных целей, таких как:
- Лазерные дальномеры.
- Исследования корреляции фотонов.
- Cистемы связи по оптоволокну.
- Лидар.
- Cканеры для ПЭТ или позитронно-эмиссионной томографии.
Cхема смещения с низким уровнем шума
Коэффициент усиления ЛФД регулируется напряжением, которое прикладывается к переходу в противоположном направлении. Чтобы поддерживать стабильное усиление и низкий уровень шума, необходимо тщательно контролировать это напряжение.
Для этого напряжение смещения для ЛФД может создаваться и контролироваться малошумящей схемой смещения. В этой схеме используется повышающий преобразователь ШИМ с фиксированной частотой и низким уровнем шума.
Микроконтроллер, считывающий показания термистора, компенсирует температуру.
Коэффициент избыточного шума
По сравнению с PIN-фотодиодами, ЛФД имеют больше шума, потому что статистика лавинного процесса вызывает колебания тока.
Коэффициент избыточного шума — это способ рассчитать, насколько больше шума у ЛФД, чем у детектора с ограничением дробового шума.
Лавинные фотодиоды
Высокочувствительный полупроводниковый фотодиодный детектор, лавинный фотодиод (APD), использует фотоэлектрический эффект для преобразования света в электричество.
APD работает с высоким обратным смещением, что позволяет дыркам и электронам, образующимся при попадании на него фотона или света, размножаться лавинообразно.
Это позволяет в несколько раз повысить коэффициент усиления фотодиода, придав ему широкий диапазон чувствительности.
Как работает процесс лавинного умножения в APD
Лавинный процесс начинается, когда фотон поглощается, а электрон или дырка ионизируются при столкновении с чем-либо.
Электрическое поле дает образующимся носителям достаточно энергии для создания вторичных носителей за счет ударной ионизации.
Этот процесс создает поток электронно-дырочных пар, что дает более сильный сигнал, чем просто прямое поглощение.
Коэффициент усиления ЛФД равен отношению общего количества электронов и дырок, образовавшихся в результате лавинного процесса, к количеству фотонов, поглощенных устройством.
Преимущества и недостатки
Основное преимущество лавинного фотодиода заключается в том, что он очень чувствителен и может улавливать сигналы низкого уровня.
APD более чувствителен, чем другие полупроводниковые фотодиоды, и может использоваться там, где другие фотодиоды не могут достичь такого же уровня чувствительности.
По сравнению с другими типами фотодиодов, APD также быстрее реагирует и потребляет меньший ток, когда он не используется.
Однако у APD есть некоторые проблемы.
- Одна из основных проблем с APD заключается в том, что по сравнению с другими фотодиодами для работы ему требуется более высокое напряжение.
- Из-за умножения несущих APD также производят больше шума, чем должны.
- Использование правильных методов проектирования и условий эксплуатации может снизить уровень шума.
- Наконец, APD не имеет линейного выхода, что может затруднить его использование в некоторых ситуациях.
Cлучаи использования
| Используется в: | Описание: |
|---|---|
| Регуляторы напряжения | Лавинные диоды можно использовать для управления напряжением в электронных схемах, обеспечивая стабильное опорное напряжение. Их можно использовать в качестве шунтирующего регулятора для поддержания постоянного напряжения в цепи или в качестве последовательного регулятора для поддержания стабильного выходного напряжения даже при изменении входного напряжения. |
| Генераторы импульсов | Лавинные диоды можно использовать для создания коротких всплесков высокого напряжения в генераторах импульсов. Когда происходит всплеск напряжения, диод переходит в лавинный пробой и дает резкий импульс с быстрым временем нарастания. Это полезно для таких вещей, как радар, которому нужны импульсы с высокой частотой. |
| Микроволновые устройства | В диодах IMPATT (время лавинного прохождения при ионизации ударом) и TRAPATT (переход, запускаемый плазменной лавиной) используются лавинные диоды. Эти диоды посылают высокочастотные сигналы в микроволновом диапазоне. Эти сигналы используются в радиолокационных системах, системах спутниковой связи и других высокочастотных приложениях. |
| Защита от перегрузки | Лавинные диоды могут использоваться в устройствах защиты от перенапряжения для защиты электронных устройств от скачков напряжения и переходных перенапряжений. Они могут зафиксировать напряжение на определенном уровне и защитить устройство от повреждения высоким напряжением. |
| ВЧ усилители | Радиочастотные (РЧ) усилители могут использовать лавинные диоды для создания мощных РЧ-сигналов. В этом случае диод переходит в область лавинного пробоя, что вызывает быстрый рост тока и сильный радиочастотный сигнал. |
| Детекторы рентгеновского и гамма-излучения | Лавинные диоды могут использоваться в медицинской визуализации и других местах в качестве детекторов рентгеновского и гамма-излучения. Фотоны с большой энергией улавливаются диодом, который посылает импульс тока, который можно использовать для измерения энергии излучения. |
Другое использование:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Заключение
Поскольку эта статья подходит к концу, становится ясно, что лавинные диоды являются важными частями многих электронных систем.
Из-за того, как они сделаны и что они могут делать, они являются полезными инструментами для любого инженера.
Но, как и любая другая технология, использование лавинных диодов имеет как плюсы, так и минусы, и важно тщательно взвесить их в любом приложении.
Как инженеры, мы всегда ищем новейшие и лучшие технологии, которые помогут нам разрабатывать более совершенные системы.
Но также важно соблюдать Имейте в виду, что основы электроники существуют уже давно и так же важны сегодня, как и тогда.
Итак, являетесь ли вы опытным инженером или только начинаете, важно знать, как работают лавинные диоды в современной электронике.
Делая это, вы сможете лучше проектировать системы, которые хорошо работают и надежны для ваших приложений.
Несмотря на то, что технологии меняются, основные правила электроники остаются прежними.
Поделись…
