Là một kỹ sư, bạn biết điốt quan trọng như thế nào đối với cách thức hoạt động của các mạch điện tử.
Nhưng bạn có biết về diode tuyết lở? Điốt Avalanche khác với điốt thông thường vì chúng có một tính năng đặc biệt cho phép chúng thực hiện một số nhiệm vụ khác nhau trong các ứng dụng điện áp cao.
Vì vậy, hãy thắt dây an toàn và sẵn sàng lao vào thế giới hấp dẫn của đi-ốt tuyết lở!
Giới thiệu về điốt tuyết lở
Định nghĩa chính thức:
Một đi-ốt đánh thủng chất bán dẫn, thường được làm bằng silicon, trong đó đánh thủng tuyết lở xảy ra trên toàn bộ tiếp giáp pn và khi đó điện áp giảm về cơ bản là không đổi và không phụ thuộc vào dòng điện; hai loại quan trọng nhất là điốt IMPATT và TRAPATT.
Đi-ốt tuyết lở là một loại đi-ốt bán dẫn được tạo ra để phân hủy trong một trận tuyết lở ở một điện áp nhất định.
Khi điện áp trên một diode vượt quá một giá trị nhất định, sự cố tuyết lở xảy ra.
Sự thi công
Điốt Zener và điốt tuyết lở đều được chế tạo theo cùng một cách, nhưng lượng pha tạp trong điốt tuyết lở khác với lượng pha tạp trong điốt Zener.
Điểm nối của một đi-ốt tuyết lở được tạo ra để ngăn chặn sự tập trung dòng điện và các điểm nóng phát ra từ nó, do đó hiệu ứng tuyết lở không làm hỏng đi-ốt.
Nguyên tắc làm việc của Avalanche Diode
Điốt tuyết lở được chế tạo để hoạt động trong vùng đánh thủng ngược, nơi chúng có thể mang dòng điện lớn mà không bị hỏng.
Điểm nối pn của đi-ốt tuyết lở được tạo ra để ngăn chặn sự tập trung dòng điện và các điểm nóng phát ra từ nó, do đó hiệu ứng tuyết lở không làm hỏng đi-ốt.
Khi một điện áp phân cực ngược được đặt vào diode tuyết lở, nó sẽ đạt đến điện áp đánh thủng và đi vào vùng đánh thủng tuyết lở, nơi nó có thể mang dòng điện lớn mà không bị hỏng.
Sự cố lở tuyết xảy ra khi điện áp trên diode cao hơn một giá trị nhất định, khiến dòng điện tăng nhanh.
Sự nhân lên của tuyết lở tạo ra nhiều electron và ion tự do hơn, khiến một lượng lớn dòng điện chạy qua thiết bị.
Các loại điốt tuyết lở
Đi-ốt Zener
Đi-ốt Zener là một loại đi-ốt thể hiện hiệu ứng đánh thủng Zener khi điện áp trên đi-ốt vượt quá một mức nhất định.
Điện trường cao trên đi-ốt gây ra hiệu ứng đánh thủng Zener, đây là một loại đánh thủng tuyết lở.
Đi-ốt Zener chủ yếu được sử dụng để kiểm soát điện áp, bảo vệ chống quá áp và tạo ra tiếng ồn.
Photodiode tuyết lở
Điốt quang tuyết lở là một loại điốt bán dẫn được chế tạo để hoạt động trong vùng đánh thủng tuyết lở.
Nó thường được sử dụng làm máy dò photon khuếch đại cao trong các ứng dụng ánh sáng yếu như hệ thống thông tin liên lạc sợi quang và thiết bị hình ảnh.
Khi các photon được điốt thu vào, chúng sẽ tạo ra các cặp electron-lỗ trống
Khi đó, điện trường cao trong đi-ốt có thể tăng tốc các cặp electron-lỗ trống này, gây ra lũ lụt các hạt mang điện.
Sự khác biệt giữa sự cố Zener và Avalanche
Cách xảy ra sự cố Zener và sự cố tuyết lở là điểm khác biệt chính giữa hai sự cố này.
Sự cố Zener xảy ra khi có một điện trường mạnh trên vùng suy giảm của diode
Sự cố tuyết lở xảy ra khi các electron tự do va vào các nguyên tử trong điốt.
Lượng pha tạp trong một diode xác định điện áp đánh thủng Zener, trong khi độ rộng của vùng suy giảm xác định điện áp đánh thủng tuyết lở.
Video: ĐI-ốt! Tất cả các loại của chúng và cách chúng hoạt động
Mẹo: Bật nút phụ đề nếu bạn cần.
Các ứng dụng của điốt Avalanche
Thiết bị bảo vệ và ổn áp
Hầu hết thời gian, điốt tuyết lở được sử dụng để bảo vệ các bộ phận điện tử nhạy cảm khỏi bị hư hỏng do điện áp cao hoặc dòng điện tăng vọt trong mạch điện tử.
Chúng cũng có thể được sử dụng để điều khiển điện áp trên tải trong mạch, nơi chúng hoạt động trong vùng đánh thủng ngược.
Nguồn tiếng ồn trong mạch RF và vi sóng
Trong các mạch RF và vi sóng, điốt tuyết lở thường được sử dụng làm nguồn nhiễu.
Trong quá trình phân hủy tuyết lở, các electron và lỗ trống được tạo ra một cách ngẫu nhiên, tạo ra tiếng ồn trắng
Điều này làm cho chúng hữu ích cho thông tin liên lạc và tác chiến điện tử.
Thiết bị chuyển mạch tốc độ cao trong mạch kỹ thuật số
Trong các mạch kỹ thuật số, điốt tuyết lở được sử dụng làm công tắc tốc độ cao có thể bật và tắt trong một khoảng thời gian rất ngắn, được gọi là pico giây.
Do đó, chúng có thể được sử dụng cho những việc như truyền dữ liệu tốc độ cao và xử lý tín hiệu số.
Máy dò Photon độ lợi cao trong các hệ thống quang điện tử
Điốt quang tuyết lở (APD) là thiết bị bán dẫn được chế tạo để hoạt động trong vùng phân hủy tuyết lở khi photon được điốt hấp thụ.
APD được sử dụng trong các hệ thống thông tin liên lạc sợi quang, hệ thống đo phạm vi laser và các ứng dụng ở mức độ ánh sáng yếu khác như máy dò photon có mức tăng cao.
Điện áp rơi trong điốt Avalanche
Điốt tuyết lở được thiết kế để tận dụng hiệu ứng tuyết lở, vì vậy chúng có sự sụt giảm điện áp nhỏ nhưng đáng chú ý khi chúng bị hỏng.
Mặt khác, điốt Zener luôn giữ điện áp cao hơn điểm mà chúng bị hỏng.
Hầu hết các điốt tuyết lở có điện áp rơi từ 1 đến 2 vôn.
Hệ số nhiệt độ của điện áp
Điốt Zener có hệ số nhiệt độ nhỏ của điện áp âm, trong khi điốt Avalanche có hệ số nhiệt độ nhỏ của điện áp dương.
Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ tăng lên, điện áp rơi trong đi-ốt tuyết lở sẽ tăng nhẹ, trong khi điện áp rơi trong đi-ốt Zener sẽ giảm xuống khi nhiệt độ tăng.
So sánh với các điốt khác
Hầu hết các điốt Schottky có điện áp rơi từ 0,15V đến 0,45V.
Điện áp chuyển tiếp cho Điốt Silicon là 0,7V và đối với Điốt Germanium là 0,3V.
Vì điện áp thuận giảm qua một đi-ốt silicon gần như không đổi ở khoảng 0,7v, trong khi dòng điện qua nó thay đổi một lượng tương đối lớn, nên một đi-ốt silicon phân cực thuận có thể được sử dụng làm nguồn điện áp không đổi.
Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng điốt Avalanche
Điốt tuyết lở có một số lợi thế so với điốt bình thường. Chúng tồn tại lâu hơn hầu hết các điốt, khiến chúng đáng tin cậy hơn khi được sử dụng trong một số tình huống nhất định.
Mối nối pn của đi-ốt tuyết lở được thiết kế để ngăn chặn sự tập trung dòng điện và tạo ra các điểm nóng để đi-ốt không bị hư hại do hiệu ứng tuyết lở.
Những lợi thế
Điốt tuyết lở rất hữu ích trong một số trường hợp, chẳng hạn như bảo vệ mạch điện, tạo tiếng ồn và tìm kiếm photon.
Chúng thể hiện mức độ nhạy cao hơn, hiệu suất cao và thời gian phản hồi nhanh, khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng này.
Chúng cũng có thể bảo vệ các mạch điện khỏi những điện áp không nên có, điều này khiến chúng trở nên hữu ích trong các hệ thống điện tử.
nhược điểm
Nhưng có một số điều tồi tệ về việc sử dụng điốt tuyết lở mà bạn nên suy nghĩ.
Chúng bao gồm nhu cầu về điện áp hoạt động cao hơn nhiều, đầu ra phi tuyến tính do quá trình tuyết lở gây ra, mức độ nhiễu cao hơn nhiều và nhu cầu về độ lệch ngược cao để hoạt động.
Điốt tuyết lở cũng có thể không hoạt động tốt như các loại điốt khác, đây có thể là vấn đề trong một số trường hợp.
Mặc dù chúng có những vấn đề này, điốt tuyết lở vẫn được sử dụng rộng rãi trong một số trường hợp vì cách chúng hoạt động.
Mặc dù chúng có thể không đáng tin cậy như các loại điốt khác, nhưng chúng rất hữu ích trong các hệ thống điện tử vì chúng nhạy cảm và phản ứng nhanh.
Sự khác biệt giữa Điốt tuyết lở và Điốt PIN
Điốt Avalanche và điốt PIN đều là các loại điốt bán dẫn, nhưng chúng hoạt động theo những cách rất khác nhau.
điện áp hoạt động
Điện áp chạy là một sự khác biệt lớn giữa hai loại.
Điốt tuyết lở được chế tạo để hoạt động trong vùng đánh thủng ngược, vùng này cần điện áp cao hơn vùng hoạt động bình thường.
Mặt khác, điốt PIN hoạt động ở vùng phân cực thuận, thường cần ít điện áp hơn.
Vì vậy, tốt hơn nên nói rằng điốt tuyết lở cần điện áp cao hơn để đạt đến vùng đánh thủng tuyết lở hơn là chúng cần điện áp hoạt động cao hơn.
Tiếng ồn
Do cách chúng hoạt động, điốt tuyết lở có thể gây ra nhiều tiếng ồn hơn.
Nhưng mức nhiễu này có thể được hạ xuống bằng cách đặt một điện áp ngược hướng với điện áp đánh thủng.
Mặt khác, điốt PIN thường được sử dụng vì chúng tạo ra ít tiếng ồn hơn, nhưng chúng vẫn có thể gây ra một số tiếng ồn tùy thuộc vào cách chúng được sử dụng.
Cơ cấu nội bộ
Điốt tuyết lở có một vị trí bên trong nơi các electron nhân lên khi đặt điện áp ngược từ bên ngoài.
Điều này làm cho độ khuếch đại bên trong lớn hơn từ 10 đến 100 lần.
Mặt khác, điốt PIN có vùng nội tại có vùng suy giảm lớn hơn và điện dung thấp hơn so với điốt pn tiêu chuẩn.
Điều này có nghĩa là đi-ốt PIN nhạy hơn và phản hồi nhanh hơn.
Yêu cầu điện áp
Điốt tuyết lở có điện áp phân cực ngược cao hơn nhiều, từ 100 đến 200 vôn đối với silicon.
Mặt khác, đi-ốt PIN hoạt động ở điện áp thấp và tốt cho các thiết bị có công suất thấp.
Nhìn chung, điốt tuyết lở và điốt PIN được chế tạo theo những cách tương tự nhau, nhưng cách hoạt động khác nhau của chúng có nghĩa là chúng được sử dụng trong các tình huống khác nhau.
Điốt tuyết lở có thể được sử dụng với điện áp cao và trong các hệ thống quang điện tử, chúng có thể được sử dụng làm máy dò photon độ lợi cao.
Mặt khác, điốt PIN tốt hơn cho các ứng dụng tần số cao, công suất thấp, cần cả tiếng ồn thấp và tốc độ cao.
Điốt lở tuyết có độ ồn thấp
Điốt quang tuyết lở là tên chính xác của điốt tuyết lở có độ ồn thấp (APD).
APD là máy dò đi-ốt quang bán dẫn sử dụng hiệu ứng quang điện để biến ánh sáng thành điện năng. Họ rất nhạy cảm.
Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) cao, thời gian đáp ứng nhanh, dòng tối thấp và độ nhạy cao là những điểm khiến chúng trở nên nổi bật.
Các ứng dụng của APD
APD được sử dụng cho nhiều thứ khác nhau, chẳng hạn như:
- Công cụ tìm phạm vi laser.
- Các nghiên cứu về tương quan photon.
- Hệ thống giao tiếp bằng sợi quang.
- Lidar.
- Máy quét PET, hoặc chụp cắt lớp phát xạ positron.
Mạch phân cực tiếng ồn thấp
Độ lợi của APD được điều khiển bởi điện áp đặt qua đường giao nhau theo hướng ngược lại. Để giữ mức khuếch đại ổn định và mức nhiễu thấp, điện áp này cần được kiểm soát cẩn thận.
Để làm điều này, điện áp phân cực cho APD có thể được tạo và điều khiển bằng mạch phân cực có độ nhiễu thấp. Mạch này sử dụng bộ chuyển đổi tăng cường PWM với tần số cố định và độ ồn thấp
Một bộ vi điều khiển đọc nhiệt điện trở bù cho nhiệt độ.
Yếu tố tiếng ồn quá mức
So với đi-ốt quang PIN, APD có nhiều nhiễu hơn do số liệu thống kê của quá trình tuyết lở gây ra các dao động dòng điện.
Hệ số tiếng ồn dư thừa là một cách để tính toán mức độ nhiễu của APD so với máy dò giới hạn tiếng ồn bắn.
điốt quang tuyết lở
Máy dò đi-ốt quang bán dẫn có độ nhạy cao, đi-ốt quang tuyết lở (APD) sử dụng hiệu ứng quang điện để biến ánh sáng thành điện năng.
APD hoạt động với độ lệch ngược cao, cho phép các lỗ trống và electron được tạo ra khi một photon hoặc ánh sáng chiếu vào nó nhân lên như tuyết lở.
Điều này cho phép tăng mức tăng của đi-ốt quang lên nhiều lần, mang lại cho nó dải độ nhạy rộng.
Cách hoạt động của quy trình nhân tuyết lở trong APD
Quá trình tuyết lở bắt đầu khi một photon bị hấp thụ và một electron hoặc lỗ trống bị ion hóa khi chúng va vào một thứ gì đó.
Điện trường cung cấp cho các hạt tải điện đủ năng lượng để tạo ra các hạt tải điện thứ cấp thông qua quá trình ion hóa va chạm.
Quá trình này tạo ra một loạt các cặp electron-lỗ trống, mang lại tín hiệu mạnh hơn so với sự hấp thụ trực tiếp đơn thuần.
Độ lợi của APD bằng tỷ lệ giữa tổng số electron và lỗ trống được tạo ra bởi quá trình tuyết lở với số lượng photon được thiết bị hấp thụ.
Ưu điểm và nhược điểm
Lợi ích chính của đi-ốt quang tuyết lở là nó rất nhạy và có thể thu các tín hiệu ở mức độ thấp.
APD nhạy hơn các đi-ốt quang bán dẫn khác và có thể được sử dụng ở những nơi mà các đi-ốt quang khác không thể đạt được cùng mức độ nhạy.
So với các loại đi-ốt quang khác, APD cũng phản hồi nhanh hơn và có ít dòng điện hơn khi không sử dụng.
Tuy nhiên, APD có một số vấn đề.
- Một trong những vấn đề chính của APD là, so với các đi-ốt quang khác, nó cần điện áp cao hơn để hoạt động.
- Do sự nhân lên của sóng mang, các APD cũng tạo ra nhiều tiếng ồn hơn bình thường.
- Sử dụng đúng kỹ thuật thiết kế và điều kiện vận hành có thể giảm tiếng ồn.
- Cuối cùng, APD không có đầu ra tuyến tính, điều này có thể khiến nó khó sử dụng hơn trong một số trường hợp.
Trường hợp sử dụng
| Được dùng trong: | Sự miêu tả: |
|---|---|
| Ổn áp | Điốt tuyết lở có thể được sử dụng để điều khiển điện áp trong các mạch điện tử bằng cách cung cấp điện áp tham chiếu ổn định. Chúng có thể được sử dụng như một bộ điều chỉnh song song để giữ cho điện áp không đổi trên toàn mạch hoặc như một bộ điều chỉnh nối tiếp để giữ cho điện áp đầu ra ổn định ngay cả khi điện áp đầu vào thay đổi. |
| Máy phát xung | Điốt tuyết lở có thể được sử dụng để tạo ra các xung điện áp cao trong các máy phát xung. Khi xảy ra hiện tượng tăng đột biến điện áp, điốt sẽ rơi vào trạng thái đánh thủng tuyết lở và tạo ra một xung sắc nét với thời gian tăng nhanh. Điều này rất hữu ích cho những thứ như radar, cần các xung có tần số cao. |
| thiết bị lò vi sóng | Điốt IMPATT (Thời gian chuyển tuyến tuyết lở ion hóa IMPact) và TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) sử dụng điốt tuyết lở. Các đi-ốt này gửi tín hiệu tần số cao trong phạm vi vi sóng. Các tín hiệu này được sử dụng trong hệ thống ra-đa, hệ thống liên lạc vệ tinh và các ứng dụng tần số cao khác. |
| Chống sét lan truyền | Điốt tuyết lở có thể được sử dụng trong bộ chống sét lan truyền để bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi xung đột điện áp và quá điện áp thoáng qua. Chúng có thể kẹp điện áp ở một mức nhất định và giữ cho thiết bị không bị điện áp cao làm hỏng. |
| Bộ khuếch đại RF | Bộ khuếch đại tần số vô tuyến (RF) có thể sử dụng điốt tuyết lở để tạo tín hiệu RF công suất cao. Trong trường hợp này, đi-ốt đi vào vùng đánh thủng tuyết lở, làm cho dòng điện tăng nhanh và tạo ra tín hiệu RF mạnh. |
| Máy dò tia X và tia Gamma | Điốt tuyết lở có thể được sử dụng trong hình ảnh y tế và những nơi khác như máy dò tia X và tia gamma. Các photon có nhiều năng lượng được đi-ốt thu nhận, phát ra một xung dòng điện có thể được sử dụng để đo năng lượng của bức xạ. |
Công dụng khác:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Phần kết luận
Khi bài viết này kết thúc, rõ ràng là đi-ốt tuyết lở là bộ phận quan trọng của nhiều hệ thống điện tử.
Do cách chúng được tạo ra và những gì chúng có thể làm, chúng là những công cụ hữu ích cho bất kỳ kỹ sư nào.
Tuy nhiên, giống như bất kỳ công nghệ nào khác, sử dụng điốt tuyết lở có cả ưu và nhược điểm, và điều quan trọng là phải cân nhắc cẩn thận những điều này trong bất kỳ ứng dụng nào.
Là kỹ sư, chúng tôi luôn tìm kiếm công nghệ mới nhất và tốt nhất để giúp chúng tôi thiết kế các hệ thống tốt hơn.
Nhưng điều quan trọng là phải giữ hãy nhớ rằng những điều cơ bản của thiết bị điện tử đã có từ rất lâu và ngày nay cũng quan trọng như lúc bấy giờ.
Vì vậy, cho dù bạn là một kỹ sư có kinh nghiệm hay mới bắt đầu, điều quan trọng là phải biết cách hoạt động của điốt tuyết lở trong thiết bị điện tử hiện đại.
Bằng cách này, bạn sẽ có thể thiết kế các hệ thống hoạt động tốt và đáng tin cậy hơn cho các ứng dụng của mình.
Mặc dù công nghệ thay đổi, các quy tắc cơ bản của thiết bị điện tử vẫn giữ nguyên.
Chia sẻ…
