作為一名工程師，您知道二極管對電子電路工作方式的重要性。
但是你了解雪崩二極管嗎？雪崩二極管與普通二極管不同，因為它們具有特殊功能，可以讓它們在高壓應用中執行許多不同的任務。
所以係好安全帶，準備好進入迷人的雪崩二極管世界吧！
雪崩二極管簡介
正式定義：
一種半導體擊穿二極管，通常由矽製成，其中雪崩擊穿發生在整個 pn 結上，因此電壓降基本恆定且與電流無關；最重要的兩種類型是 IMPATT 和 TRAPATT 二極管。
雪崩二極管是一種半導體二極管，在一定電壓下會發生雪崩擊穿。
當二極管兩端的電壓超過某個值時，就會發生雪崩擊穿。
建造
齊納二極管和雪崩二極管的製作方法相同，但雪崩二極管的摻雜量與齊納二極管不同。
雪崩二極管的結用於阻止電流集中和來自它的熱點，因此雪崩效應不會傷害二極管。
雪崩二極管的工作原理
雪崩二極管工作在反向擊穿區，可以承受大電流而不會損壞。
雪崩二極管的 pn 結用於阻止電流集中和來自它的熱點，因此雪崩效應不會損壞二極管。
當向雪崩二極管施加反向偏置電壓時，它達到擊穿電壓並進入雪崩擊穿區，在那裡它可以承載大電流而不被損壞。
當二極管兩端的電壓高於一定值時，就會發生雪崩擊穿，使電流迅速上升。
雪崩倍增產生更多的自由電子和離子，從而導致大量電流流過器件。
雪崩二極管的類型
齊納二極管
齊納二極管是一種當二極管兩端的電壓超過一定水平時會顯示齊納擊穿效應的二極管。
二極管兩端的高電場會導致齊納擊穿效應，這是一種雪崩擊穿。
齊納二極管主要用於控制電壓、防浪湧和產生噪聲。
雪崩光電二極管
雪崩光電二極管是一種工作在雪崩擊穿區的半導體二極管。
它通常用作光纖通信系統和成像設備等弱光應用中的高增益光子探測器。
當光子被二極管吸收時，它們會產生電子-空穴對
二極管中的高電場可以加速這些電子-空穴對，導致電荷載流子大量湧入。
齊納擊穿和雪崩擊穿的區別
齊納擊穿和雪崩擊穿的發生方式是兩者的主要區別。
當二極管的耗盡區有強電場時，會發生齊納擊穿
當自由電子撞擊二極管中的原子時，就會發生雪崩擊穿。
二極管中的摻雜量決定了齊納擊穿電壓，而耗盡區的寬度決定了雪崩擊穿電壓。
視頻：二極管！各種各樣的它們以及它們是如何工作的
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雪崩二極管的應用
保護裝置和穩壓器
大多數時候，雪崩二極管用於保護敏感的電子部件免受電子電路中的高壓或電流浪湧損壞。
它們還可用於控制電路中負載兩端的電壓，它們在反向擊穿區工作。
射頻和微波電路中的噪聲源
在射頻和微波電路中，雪崩二極管通常用作噪聲源。
雪崩擊穿過程中，隨機產生電子和空穴，產生白噪聲
這使它們可用於通信和電子戰。
數字電路中的高速開關器件
在數字電路中，雪崩二極管用作高速開關，可以在非常短的時間內打開和關閉，稱為皮秒。
因此，它們可用於高速數據傳輸和數字信號處理等用途。
光電系統中的高增益光子探測器
雪崩光電二極管 (APD) 是半導體器件，當光子被二極管吸收時，它們會在雪崩擊穿區域工作。
APD 在光纖通信系統、激光測距系統和其他微光應用中用作高增益光子檢測器。
雪崩二極管中的壓降
雪崩二極管的設計是為了利用雪崩效應，因此它們在擊穿時會產生很小但很明顯的電壓降。
另一方面，齊納二極管始終將電壓保持在擊穿點以上。
大多數雪崩二極管的電壓降在 1 到 2 伏之間。
電壓溫度係數
齊納二極管具有小的負電壓溫度係數，而雪崩二極管具有小的正電壓溫度係數。
這意味著隨著溫度升高，雪崩二極管中的壓降會略微升高，而齊納二極管中的壓降會隨著溫度升高而下降。
與其他二極管的比較
大多數肖特基二極管的電壓降在 0.15V 和 0.45V 之間。
矽二極管的正向電壓為 0.7V，鍺二極管為 0.3V。
由於矽二極管兩端的正向壓降幾乎恆定在 0.7v 左右，而通過它的電流變化相對較大，因此可以使用正向偏置矽二極管作為恆壓源。
使用雪崩二極管的優缺點
雪崩二極管與普通二極管相比有幾個優點。它們比大多數二極管持續時間更長，這使得它們在某些情況下使用時更加可靠。
雪崩二極管的 pn 結旨在防止電流集中和由此產生的熱點，從而使二極管不受雪崩效應的損壞。
優點
雪崩二極管在許多情況下都很有用，例如保護電路、製造噪聲和尋找光子。
它們表現出更高水平的靈敏度、高性能和快速響應時間，使它們成為這些應用的理想選擇。
它們還可以保護電路免受不應存在的電壓的影響，這使得它們在電子系統中非常有用。
缺點
但是您應該考慮使用雪崩二極管的一些壞處。
其中包括需要更高的工作電壓、雪崩過程引起的非線性輸出、更高的噪聲水平以及需要高反向偏壓才能工作。
雪崩二極管也可能無法像其他類型的二極管那樣工作，這在某些情況下可能是個問題。
儘管存在這些問題，雪崩二極管仍因其工作方式而在某些情況下得到廣泛使用。
儘管它們可能不如其他類型的二極管可靠，但它們在電子系統中很有用，因為它們靈敏且響應迅速。
雪崩二極管和PIN二極管的區別
雪崩二極管和 PIN 二極管都是半導體二極管的類型，但它們的工作方式卻截然不同。
工作電壓
兩種類型之間的運行電壓差異很大。
雪崩二極管被設計成工作在反向擊穿區，需要比正常工作區更高的電壓。
另一方面，PIN 二極管工作在正向偏置區域，通常需要較低的電壓。
因此，與其說雪崩二極管需要更高的工作電壓，不如說雪崩二極管需要更高的電壓才能到達雪崩擊穿區域。
噪音
由於它們的工作方式，雪崩二極管會產生更多噪聲。
但是，可以通過在擊穿電壓的相反方向上施加電壓來降低該噪聲水平。
另一方面，通常使用 PIN 二極管是因為它們產生的噪音較小，但它們仍會產生一些噪音，具體取決於它們的使用方式。
內部結構
當從外部施加反向電壓時，雪崩二極管內部有一個電子倍增的位置。
這使得內部放大倍數增加了 10 到 100 倍。
另一方面，PIN 二極管具有本徵區，該區具有比標準 pn 二極管更大的耗盡區和更小的電容。
這意味著 PIN 二極管更靈敏，響應更快。
電壓要求
雪崩二極管的反向偏置電壓要高得多，對於矽來說在 100 到 200 伏之間。
另一方面，PIN 二極管在低電壓下工作，適用於低功率設備。
總的來說，雪崩二極管和PIN二極管的製作方法相似，但它們不同的工作方式意味著它們的使用場合不同。
雪崩二極管可用於高壓，在光電系統中，它們可用作高增益光子探測器。
另一方面，PIN 二極管更適合需要低噪聲和高速的低功率、高頻應用。
低噪聲雪崩二極管
雪崩光電二極管是低噪聲雪崩二極管 (APD) 的正確名稱。
APD 是利用光電效應將光轉化為電的半導體光電二極管檢測器。他們非常敏感。
它們的高信噪比 (SNR)、快速時間響應、低暗電流和高靈敏度使它們脫穎而出。
APD的應用
APD 用於許多不同的事情，例如：
- 激光測距儀。
- 光子相關研究。
- 光纖通信系統。
- 激光雷達。
- PET 掃描儀或正電子發射斷層掃描儀。
低噪聲偏置電路
APD 的增益由反向施加在結上的電壓控制。為了保持增益穩定和噪聲水平低，需要仔細控制該電壓。
為此，APD 的偏置電壓可以由低噪聲偏置電路產生和控制。本電路採用固定頻率、低噪聲的PWM升壓變換器
讀取熱敏電阻的微控制器補償溫度。
過量噪聲因子
與 PIN 光電二極管相比，APD 具有更多噪聲，因為雪崩過程的統計會導致電流波動。
過量噪聲因子是一種計算 APD 的噪聲比散粒噪聲受限檢測器多多少的方法。
雪崩光電二極管
雪崩光電二極管 (APD) 是一種高度靈敏的半導體光電二極管檢測器，它利用光電效應將光轉化為電能。
APD 在高反向偏壓下工作，當光子或光線撞擊它時，它可以讓空穴和電子像雪崩一樣倍增。
這使得將光電二極管的增益提高數倍成為可能，從而使其具有廣泛的靈敏度。
雪崩倍增過程如何在 APD 中工作
當光子被吸收並且電子或空穴撞擊某物時被電離時，雪崩過程開始。
電場為生成的載流子提供足夠的能量，通過碰撞電離產生二次載流子。
這個過程產生了大量的電子-空穴對，比單獨的直接吸收給出了更強的信號。
APD 的增益等於雪崩過程產生的電子和空穴總數與器件吸收的光子數之比。
的優點和缺點
雪崩光電二極管的主要優點是它非常靈敏，可以拾取低電平信號。
APD 比其他半導體光電二極管更靈敏，可用於其他光電二極管可能無法達到相同靈敏度水平的地方。
與其他類型的光電二極管相比，APD 的響應速度更快，並且在不使用時電流更小。
不過，APD 確實存在一些問題。
- APD 的主要問題之一是，與其他光電二極管相比，它需要更高的電壓才能工作。
- 由於載波倍增，APD 也會產生比它們應有的更多的噪聲。
- 使用正確的設計技術和操作條件可以減少噪音。
- 最後，APD 沒有線性輸出，這使得它在某些情況下更難使用。
用例
| 用於： | 描述： |
|---|---|
| 穩壓器 | 雪崩二極管可用於通過提供穩定的參考電壓來控制電子電路中的電壓。它們可用作並聯穩壓器以保持電路中的電壓恆定，或用作串聯穩壓器以保持輸出電壓穩定，即使輸入電壓發生變化也是如此。 |
| 脈衝發生器 | 雪崩二極管可用於在脈衝發生器中產生短暫的高壓脈衝。當出現電壓尖峰時，二極管會進入雪崩擊穿狀態並產生具有快速上升時間的尖脈衝。這對於像雷達這樣需要高頻脈衝的東西很有用。 |
| 微波設備 | IMPATT（IMPact ionization Avalanche Transit-Time）和TRAPATT（TRapped Plasma Avalanche Triggered Transit）二極管使用雪崩二極管。這些二極管發出微波範圍內的高頻信號。這些信號用於雷達系統、衛星通信系統和其他高頻應用。 |
| 電湧保護 | 雪崩二極管可用於浪湧保護器，以保護電子設備免受電壓尖峰和瞬態過電壓的影響。它們可以將電壓箝位在一定水平，防止設備被高壓損壞。 |
| 射頻放大器 | 射頻 (RF) 放大器可以使用雪崩二極管來產生高功率射頻信號。在這種情況下，二極管進入雪崩擊穿區，導致電流快速上升並產生強射頻信號。 |
| X 射線和伽馬射線探測器 | 雪崩二極管可以作為X射線和伽馬射線探測器用於醫學成像和其他地方。具有大量能量的光子被二極管接收，二極管發出電流脈衝，可用於測量輻射能量。 |
其他用途：
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
結論
在本文接近尾聲時，雪崩二極管顯然是許多電子系統的重要組成部分。
由於它們的製造方式和功能，它們對任何工程師都是有用的工具。
但是，與任何其他技術一樣，使用雪崩二極管有利也有弊，在任何應用中仔細權衡這些都很重要。
作為工程師，我們一直在尋找最新最好的技術來幫助我們設計更好的系統。
但同樣重要的是保持 請記住，電子學的基礎知識已經存在了很長時間，並且在今天和過去一樣重要。
因此，無論您是經驗豐富的工程師還是新手，了解雪崩二極管在現代電子產品中的工作原理都非常重要。
通過這樣做，您將能夠更好地設計出運行良好且對您的應用程序可靠的系統。
儘管技術發生了變化，但電子產品的基本規則保持不變。
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