Som ingenjör vet du hur viktiga dioder är för hur elektroniska kretsar fungerar.
Men vet du om lavindioden? Lavindioder skiljer sig från vanliga dioder eftersom de har en speciell funktion som låter dem utföra ett antal olika uppgifter i högspänningstillämpningar.
Så spänn fast dig och gör dig redo att dyka in i lavindiodernas fascinerande värld!
Introduktion till Avalanche Diode
Formell definition:
En halvledarnedbrytningsdiod, vanligtvis gjord av kisel, i vilken lavinbrott sker över hela pn-övergången och spänningsfallet då är väsentligen konstant och oberoende av ström; de två viktigaste typerna är IMPATT- och TRAPATT-dioder.
En lavindiod är en typ av halvledardiod som är gjord för att gå sönder i en lavin vid en viss spänning.
När spänningen över en diod går över ett visst värde sker lavinbrott.
Konstruktion
En zenerdiod och en lavindiod är båda tillverkade på samma sätt, men mängden dopning i en lavindiod skiljer sig från den i en zenerdiod.
Korsningen av en lavindiod är gjord för att stoppa strömkoncentrationen och de heta fläckarna som kommer från den, så att lavineffekten inte skadar dioden.
Arbetsprincipen för Avalanche Diode
Lavindioder är gjorda för att fungera i omvänd nedbrytningsregion, där de kan bära en stor ström utan att skadas.
Pn-övergången för en lavindiod är gjord för att stoppa strömkoncentrationen och de heta fläckarna som kommer från den, så att lavineffekten inte skadar dioden.
När en omvänd förspänning appliceras på lavindioden når den genombrottsspänningen och går in i lavinnedbrytningsområdet, där den kan bära en stor ström utan att skadas.
Lavinhaveri inträffar när spänningen över dioden är högre än ett visst värde, vilket gör att strömmen stiger snabbt.
Lavinmultiplikation ger fler fria elektroner och joner, vilket gör att en stor mängd ström flyter genom enheten.
Typer av lavindioder
Zenerdiod
Zenerdioden är en typ av diod som visar Zener-nedbrytningseffekten när spänningen över dioden går över en viss nivå.
Ett högt elektriskt fält över dioden orsakar Zener-nedbrytningseffekten, som är en typ av lavinnedbrytning.
Zenerdioden används mest för att styra spänningen, skydda mot överspänningar och göra oljud.
Lavinfotodiod
Lavinfotodioden är en typ av halvledardiod som är gjord för att fungera i lavinnedbrytningsområdet.
Den används ofta som en högförstärkningsfotondetektor i applikationer med svagt ljus som fiberoptiska kommunikationssystem och bildåtergivningsenheter.
När fotoner tas in av dioden skapar de elektron-hålpar
Det höga elektriska fältet i dioden kan då påskynda dessa elektron-hålpar, vilket orsakar en flod av laddningsbärare.
Skillnaden mellan Zener och Avalanche Breakdown
Sättet som Zener-nedbrott och lavinbrott sker är den största skillnaden mellan de två.
Zenernedbrytning inträffar när det finns ett starkt elektriskt fält över diodens utarmningsregion
Lavinnedbrytning sker när fria elektroner träffar atomer i dioden.
Mängden doping i en diod bestämmer Zener-genomslagsspänningen, medan bredden på utarmningsområdet bestämmer lavinbrytningsspänningen.
Video: DIODES! Alla sorters dem och hur de fungerar
Tips: Slå på bildtextknappen om du behöver den.
Tillämpningar av lavindioder
Skyddsanordningar och spänningsregulatorer
För det mesta används lavindioder för att skydda känsliga elektroniska delar från att skadas av högspänning eller strömstötar i elektroniska kretsar.
De kan också användas för att styra spänningen över en belastning i kretsar, där de arbetar i det omvända nedbrytningsområdet.
Bruskällor i RF- och mikrovågskretsar
I RF- och mikrovågskretsar används lavindioder ofta som bruskällor.
Under lavinnedbrytningsprocessen görs elektroner och hål på måfå, vilket ger vitt brus
Detta gör dem användbara för kommunikation och elektronisk krigföring.
Höghastighetsväxlingsenheter i digitala kretsar
I digitala kretsar används lavindioder som höghastighetsomkopplare som kan slås på och av på mycket kort tid, en så kallad pikosekund.
På grund av detta kan de användas för saker som höghastighetsdataöverföring och digital signalbehandling.
Högförstärkningsfotondetektorer i optoelektroniska system
Lavinfotodioder (APD) är halvledarenheter som är gjorda för att fungera i lavinnedbrytningsområdet när fotoner absorberas av dioden.
APD:er används i fiberoptiska kommunikationssystem, laseravståndssystem och andra applikationer med låg ljusnivå som fotondetektorer med hög förstärkning.
Spänningsfall i lavindioder
Lavindioder är designade för att dra nytta av lavineffekten, så de har ett litet men märkbart spänningsfall när de går sönder.
Zenerdioder, å andra sidan, håller alltid spänningen över den punkt där de går sönder.
De flesta lavindioder har ett spänningsfall på mellan 1 och 2 volt.
Temperaturkoefficient för spänning
Zenerdioder har en liten temperaturkoefficient för spänning som är negativ, medan lavindioder har en liten temperaturkoefficient för spänning som är positiv.
Det betyder att när temperaturen går upp kommer spänningsfallet i en lavindiod att gå upp något, medan spänningsfallet i en Zenerdiod kommer att gå ner när temperaturen går upp.
Jämförelse med andra dioder
De flesta Schottky-dioder har ett spänningsfall på mellan 0,15V och 0,45V.
Framspänningen för kiseldioder är 0,7V och för Germaniumdioder är den 0,3V.
Eftersom framspänningsfallet över en kiseldiod är nästan konstant på cirka 0,7V, medan strömmen genom den varierar relativt stora mängder, kan en framåtspänd kiseldiod användas som en konstantspänningskälla.
Fördelar och nackdelar med att använda lavindioder
Lavindioder har flera fördelar jämfört med vanliga dioder. De håller längre än de flesta dioder, vilket gör dem mer tillförlitliga när de används i vissa situationer.
Pn-övergången för en lavindiod är utformad för att förhindra strömkoncentration och resulterande hot spots så att dioden är oskadad av lavineffekten.
Fördelarna
Lavindioder är användbara i ett antal situationer, som att skydda kretsar, göra brus och hitta fotoner.
De uppvisar en högre nivå av känslighet, hög prestanda och snabb responstid, vilket gör dem idealiska för användning i dessa applikationer.
De kan också skydda kretsar från spänningar som inte borde finnas där, vilket gör dem användbara i elektroniska system.
Nackdelarna
Men det finns några dåliga saker med att använda lavindioder som du bör tänka på.
Dessa inkluderar behovet av en mycket högre driftspänning, en icke-linjär utsignal orsakad av lavinprocessen, en mycket högre nivå av brus och behovet av en hög backförspänning för att fungera.
Lavindioder kanske inte heller fungerar lika bra som andra typer av dioder, vilket kan vara ett problem i vissa situationer.
Även om de har dessa problem, används lavindioder fortfarande i stor utsträckning i vissa situationer på grund av hur de fungerar.
Även om de kanske inte är lika pålitliga som andra typer av dioder, är de användbara i elektroniska system eftersom de är känsliga och reagerar snabbt.
Skillnaden mellan Avalanche Diode och PIN Diode
Lavindioder och PIN-dioder är båda typer av halvledardioder, men de fungerar på väldigt olika sätt.
Driftspänning
Driftspänningen är en stor skillnad mellan de två typerna.
Lavindioder är gjorda för att fungera i omvänd nedbrytningsregion, som behöver en högre spänning än den normala driftregionen.
PIN-dioder, å andra sidan, arbetar i den framåtspända regionen, som vanligtvis behöver mindre spänning.
Så det är bättre att säga att lavindioder behöver en högre spänning för att nå lavinnedbrytningsområdet än att de behöver en högre driftsspänning.
Ljud
På grund av hur de fungerar kan lavindioder göra mer ljud.
Men denna ljudnivå kan sänkas genom att lägga på en spänning i motsatt riktning av genomslagsspänningen.
PIN-dioder, å andra sidan, används vanligtvis för att de brusar mindre, men de kan fortfarande göra en del ljud beroende på hur de används.
Inre struktur
Lavindioder har en plats inuti där elektroner multipliceras när en omvänd spänning appliceras utifrån.
Detta gör den interna förstärkningen mellan 10 och 100 gånger större.
Å andra sidan har PIN-dioder en inneboende region som har en större utarmningsområde och mindre kapacitans än en vanlig pn-diod.
Detta gör att PIN-dioder är känsligare och svarar snabbare.
Spänningskrav
Lavindioder har en omvänd biasspänning som är mycket högre, mellan 100 och 200 volt för kisel.
PIN-dioden, å andra sidan, arbetar med låg spänning och är bra för enheter med låg effekt.
Överlag tillverkas lavindioder och PIN-dioder på liknande sätt, men deras olika arbetssätt gör att de används i olika situationer.
Lavindioder kan användas med höga spänningar, och i optoelektroniska system kan de användas som fotondetektorer med hög förstärkning.
Å andra sidan är PIN-dioder bättre för applikationer med låg effekt och hög frekvens som kräver både lågt brus och hög hastighet.
Lavindioder med låg ljudnivå
Lavinfotodioder är det korrekta namnet för lavbrus lavindioder (APD).
APD: er är halvledarfotodioddetektorer som använder den fotoelektriska effekten för att omvandla ljus till elektricitet. De är väldigt känsliga.
Deras höga signal-brusförhållande (SNR), snabba tidssvar, låg mörkström och höga känslighet är det som gör att de sticker ut.
Tillämpningar av APD
APD används för många olika saker, såsom:
- Laseravståndsmätare.
- Studier av fotonkorrelation.
- System för kommunikation med fiberoptik.
- Lidar.
- Skanner för PET, eller positronemissionstomografi.
Lågbrusförspänningskrets
Förstärkningen av en APD styrs av spänningen som sätts över korsningen i motsatt riktning. För att hålla förstärkningen stabil och brusnivån låg måste denna spänning kontrolleras noggrant.
För att göra detta kan förspänningen för APD:er skapas och styras av en lågbrusförspänningskrets. Denna krets använder en PWM boost-omvandlare med en fast frekvens och lågt brus
En mikrokontroller som läser av en termistor kompenserar för temperatur.
Överskott av brusfaktor
Jämfört med PIN-fotodioder har APD:er mer brus eftersom statistiken över lavinprocessen orsakar strömfluktuationer.
Överskottsbrusfaktorn är ett sätt att beräkna hur mycket mer buller en APD har än en skottbrusbegränsad detektor.
Lavinfotodioder
En mycket känslig halvledarfotodioddetektor, en lavinfotodiod (APD) använder den fotoelektriska effekten för att förvandla ljus till elektricitet.
APD arbetar med en hög omvänd bias, vilket låter hålen och elektronerna som skapas när en foton eller ljus träffar den föröka sig som laviner.
Detta gör det möjligt att öka förstärkningen av fotodioden flera gånger, vilket ger den ett brett känslighetsområde.
Hur lavinförökningsprocessen fungerar i APD:er
Lavinprocessen startar när en foton absorberas och en elektron eller ett hål joniseras när de träffar något.
Det elektriska fältet ger de resulterande bärarna tillräckligt med energi för att göra sekundära bärare genom stötjonisering.
Denna process skapar en flod av elektron-hål-par, vilket ger en starkare signal än direkt absorption enbart.
Förstärkningen av APD är lika med förhållandet mellan det totala antalet elektroner och hål som gjorts av lavinprocessen och antalet fotoner som absorberas av enheten.
Fördelar och nackdelar
Den största fördelen med en lavinfotodiod är att den är mycket känslig och kan ta upp lågnivåsignaler.
APD är känsligare än andra halvledarfotodioder och kan användas på platser där andra fotodioder kanske inte kan nå samma känslighetsnivå.
Jämfört med andra typer av fotodioder reagerar APD också snabbare och har mindre strömflöde när den inte används.
APD har dock vissa problem.
- Ett av huvudproblemen med en APD är att den, jämfört med andra fotodioder, behöver en högre spänning för att fungera.
- På grund av bärvågsmultiplikation gör APD:er också mer ljud än de borde.
- Att använda rätt designtekniker och driftsförhållanden kan minska bullret.
- Slutligen har en APD inte en linjär utdata, vilket kan göra det svårare att använda i vissa situationer.
Användningsfall
| Använd i: | Beskrivning: |
|---|---|
| Spänningsregulatorer | Lavindioder kan användas för att styra spänningen i elektroniska kretsar genom att tillhandahålla en stabil referensspänning. De kan användas som en shuntregulator för att hålla spänningen konstant över kretsen eller som en serieregulator för att hålla utspänningen stabil även om spänningen som kommer in ändras. |
| Pulsgeneratorer | Lavindioder kan användas för att göra korta skurar av hög spänning i pulsgeneratorer. När en spänningstopp inträffar, går dioden i lavinbrott och ger en skarp puls med en snabb stigtid. Detta är användbart för saker som radar, som behöver pulser med hög frekvens. |
| Mikrovågsapparater | IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) och TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) dioder använder lavindioder. Dessa dioder skickar ut högfrekventa signaler i mikrovågsområdet. Dessa signaler används i radarsystem, satellitkommunikationssystem och andra högfrekventa tillämpningar. |
| Överspänningsskydd | Lavindioder kan användas i överspänningsskydd för att skydda elektroniska enheter från spänningsspikar och transienta överspänningar. De kan klämma spänningen på en viss nivå och förhindra att enheten skadas av hög spänning. |
| RF-förstärkare | Radiofrekvensförstärkare (RF) kan använda lavindioder för att skapa RF-signaler med hög effekt. I det här fallet går dioden in i lavinnedbrytningsområdet, vilket gör att strömmen stiger snabbt och ger en stark RF-signal. |
| Röntgen- och gammastrålningsdetektorer | Lavindioder kan användas inom medicinsk bildbehandling och andra platser som röntgen- och gammastrålningsdetektorer. Fotoner med mycket energi plockas upp av dioden som skickar ut en strömpuls som kan användas för att mäta strålningens energi. |
Andra användningsområden:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Slutsats
När denna artikel närmar sig sitt slut står det klart att lavindioder är viktiga delar av många elektroniska system.
På grund av hur de är gjorda och vad de kan göra, är de användbara verktyg för alla ingenjörer.
Men precis som all annan teknik har att använda lavindioder både för- och nackdelar, och det är viktigt att väga dessa noggrant i alla applikationer.
Som ingenjörer letar vi alltid efter den senaste och bästa tekniken för att hjälpa oss att designa bättre system.
Men det är också viktigt att behålla Tänk på att grunderna inom elektronik har funnits länge och är lika viktiga idag som då.
Så oavsett om du är en erfaren ingenjör eller precis har börjat, är det viktigt att veta hur lavindioder fungerar i modern elektronik.
Genom att göra detta kommer du att bättre kunna designa system som fungerar bra och är tillförlitliga för dina applikationer.
Även om tekniken förändras, förblir de grundläggande reglerna för elektronik desamma.
Dela på…
