Като инженер знаете колко важни са диодите за начина, по който работят електронните схеми.
Но знаете ли за лавинния диод? Лавинните диоди се различават от обикновените диоди, защото имат специална функция, която им позволява да изпълняват редица различни задачи в приложения с високо напрежение.
Така че закопчайте коланите и се пригответе да се потопите в завладяващия свят на лавинните диоди!
Въведение в лавинния диод
Официална дефиниция:
Полупроводников разрушаващ диод, обикновено направен от силиций, в който се получава лавинообразно разрушаване през целия pn преход и тогава спадът на напрежението е по същество постоянен и независим от тока; двата най-важни вида са IMPATT и TRAPATT диоди.
Лавинният диод е вид полупроводников диод, който се разрушава лавинообразно при определено напрежение.
Когато напрежението на диода надхвърли определена стойност, настъпва лавинообразен срив.
Строителство
Ценеров диод и лавинен диод са направени по един и същи начин, но количеството допинг в лавинния диод е различно от това в ценеровия диод.
Съединението на лавинния диод е направено така, че да спре концентрацията на ток и горещите точки, които идват от него, така че лавинният ефект да не нарани диода.
Принцип на работа на лавинния диод
Лавинните диоди са направени да работят в обратната област на пробив, където могат да пренасят голям ток, без да се повредят.
pn преходът на лавинния диод е направен да спира концентрацията на ток и горещите точки, които идват от него, така че лавинният ефект да не наранява диода.
Когато към лавинния диод се приложи обратно напрежение на отклонение, той достига напрежението на пробив и преминава в зоната на лавинно пробив, където може да пренесе голям ток, без да бъде повреден.
Лавинен срив се случва, когато напрежението на диода е по-високо от определена стойност, което кара тока да нараства бързо.
Лавинното умножение прави повече свободни електрони и йони, което води до протичане на голямо количество ток през устройството.
Видове лавинни диоди
Ценеров диод
Ценеровият диод е вид диод, който показва ефекта на пробив на Ценеровия диод, когато напрежението в диода надхвърли определено ниво.
Силно електрическо поле през диода причинява ефекта на ценерови пробив, който е вид лавинообразен пробив.
Ценеровият диод се използва най-вече за контрол на напрежението, защита срещу пренапрежения и създаване на шум.
Лавинен фотодиод
Лавинният фотодиод е вид полупроводников диод, който е направен да работи в зоната на лавинен пробив.
Често се използва като фотонен детектор с високо усилване в приложения с ниска осветеност като оптични комуникационни системи и устройства за изображения.
Когато фотоните се поемат от диода, те създават двойки електрон-дупка
Силното електрическо поле в диода може след това да ускори тези двойки електрон-дупка, причинявайки поток от носители на заряд.
Разлика между Zener и Avalanche Breakdown
Начинът, по който се случва сривът на Zener и лавинообразният срив, е основната разлика между двете.
Пробивът на Zener се случва, когато има силно електрическо поле в областта на изчерпване на диода
Лавинен разпад се случва, когато свободни електрони ударят атоми в диода.
Количеството допинг в диода определя напрежението на пробив на Zener, докато ширината на зоната на изчерпване определя напрежението на пробив на лавината.
Видео: ДИОДИ! Всички видове и как работят
Съвет: Включете бутона за надписи, ако имате нужда от него.
Приложения на лавинни диоди
Защитни устройства и регулатори на напрежение
През повечето време лавинните диоди се използват за защита на чувствителни електронни части от повреда от високо напрежение или токови удари в електронните вериги.
Те могат също да се използват за контролиране на напрежението върху товар във вериги, където работят в обратна област на разпадане.
Източници на шум в радиочестотни и микровълнови вериги
В радиочестотни и микровълнови вериги лавинните диоди често се използват като източници на шум.
По време на процеса на лавинообразно разпадане електроните и дупките се образуват на случаен принцип, което създава бял шум
Това ги прави полезни за комуникация и електронна война.
Високоскоростни превключващи устройства в цифрови схеми
В цифровите схеми лавинните диоди се използват като високоскоростни превключватели, които могат да се включват и изключват за много кратко време, наречено пикосекунда.
Поради това те могат да се използват за неща като високоскоростен трансфер на данни и цифрова обработка на сигнали.
Фотонни детектори с голямо усилване в оптоелектронни системи
Лавинните фотодиоди (APD) са полупроводникови устройства, които са направени да работят в зоната на лавинен пробив, когато фотоните се абсорбират от диода.
APD се използват във влакнесто-оптични комуникационни системи, лазерни системи за измерване на обхвата и други приложения с ниско ниво на светлина като фотонни детектори с високо усилване.
Спад на напрежението в лавинни диоди
Лавинните диоди са проектирани да се възползват от ефекта на лавината, така че имат малък, но забележим спад на напрежението, когато се повредят.
Ценеровите диоди, от друга страна, винаги поддържат напрежението над точката, в която се разпадат.
Повечето лавинни диоди имат спад на напрежението между 1 и 2 волта.
Температурен коефициент на напрежение
Ценеровите диоди имат малък температурен коефициент на напрежение, който е отрицателен, докато Avalanche диодите имат малък температурен коефициент на напрежение, който е положителен.
Това означава, че когато температурата се покачва, спадът на напрежението в лавинния диод ще се повиши леко, докато спадът на напрежението в ценеровия диод ще намалее с повишаването на температурата.
Сравнение с други диоди
Повечето диоди на Шотки имат спад на напрежението между 0,15 V и 0,45 V.
Предаващото напрежение за силициевите диоди е 0,7 V, а за германиевите диоди е 0,3 V.
Тъй като спадът на напрежението в права посока върху силициев диод е почти постоянен при около 0,7 v, докато токът през него варира с относително големи количества, силициев диод с предубедено напрежение може да се използва като източник на постоянно напрежение.
Предимства и недостатъци при използването на лавинни диоди
Лавинните диоди имат няколко предимства пред нормалните диоди. Те издържат по-дълго от повечето диоди, което ги прави по-надеждни при използване в определени ситуации.
Pn преходът на лавинния диод е проектиран да предотвратява концентрацията на ток и произтичащите от това горещи точки, така че диодът да не бъде повреден от лавинния ефект.
Предимствата
Лавинните диоди са полезни в редица ситуации, като защита на вериги, създаване на шум и намиране на фотони.
Те показват по-високо ниво на чувствителност, висока производителност и бързо време за реакция, което ги прави идеални за използване в тези приложения.
Те могат също така да защитят вериги от напрежения, които не трябва да има, което ги прави полезни в електронни системи.
Недостатъците
Но има някои лоши неща при използването на лавинни диоди, за които трябва да помислите.
Те включват необходимостта от много по-високо работно напрежение, нелинеен изход, причинен от лавинообразния процес, много по-високо ниво на шум и необходимостта от високо обратно отклонение, за да работи.
Лавинните диоди също може да не работят толкова добре, колкото други видове диоди, което може да е проблем в някои ситуации.
Въпреки че имат тези проблеми, лавинните диоди все още се използват широко в определени ситуации поради начина им на работа.
Въпреки че може да не са толкова надеждни като другите видове диоди, те са полезни в електронните системи, защото са чувствителни и реагират бързо.
Разлика между лавинен диод и PIN диод
Лавинните диоди и PIN диодите са и двата вида полупроводникови диоди, но работят по много различни начини.
Работно напрежение
Работното напрежение е голяма разлика между двата типа.
Лавинните диоди са направени да работят в обратната област на пробив, която се нуждае от по-високо напрежение от нормалната работна област.
PIN диодите, от друга страна, работят в предубедената област, която обикновено се нуждае от по-малко напрежение.
Така че, по-добре е да се каже, че лавинните диоди се нуждаят от по-високо напрежение, за да достигнат зоната на лавинен пробив, отколкото че се нуждаят от по-високо работно напрежение.
Шум
Поради начина, по който работят, лавинните диоди могат да направят повече шум.
Но това ниво на шум може да бъде намалено чрез прилагане на напрежение в посока, обратна на напрежението на пробив.
PIN диодите, от друга страна, обикновено се използват, защото правят по-малко шум, но все пак могат да направят известен шум в зависимост от това как се използват.
Вътрешна структура
Лавинните диоди имат място вътре, където електроните се размножават, когато се приложи обратно напрежение отвън.
Това прави вътрешното усилване между 10 и 100 пъти по-голямо.
От друга страна, PIN диодите имат присъща област, която има по-голяма област на изчерпване и по-малък капацитет от стандартния pn диод.
Това означава, че PIN диодите са по-чувствителни и реагират по-бързо.
Изисквания за напрежение
Лавинните диоди имат обратно напрежение, което е много по-високо, между 100 и 200 волта за силиций.
PIN диодът, от друга страна, работи при ниско напрежение и е добър за устройства с ниска мощност.
Като цяло лавинните диоди и PIN диодите се правят по сходен начин, но различните им начини на работа означават, че се използват в различни ситуации.
Лавинните диоди могат да се използват с високи напрежения и в оптоелектронни системи те могат да се използват като фотонни детектори с голямо усилване.
От друга страна, PIN диодите са по-добри за приложения с ниска мощност и висока честота, които се нуждаят както от нисък шум, така и от висока скорост.
Лавинни диоди с нисък шум
Лавинните фотодиоди са правилното име за нискошумни лавинни диоди (APD).
APD са полупроводникови фотодиодни детектори, които използват фотоелектричния ефект, за да превърнат светлината в електричество. Те са много чувствителни.
Тяхното високо съотношение сигнал/шум (SNR), бърза времева реакция, нисък тъмен ток и висока чувствителност са това, което ги отличава.
Приложения на APD
APD се използват за много различни неща, като например:
- Лазерни далекомери.
- Изследвания на фотонната корелация.
- Системи за комуникация с оптични влакна.
- Лидар.
- Скенери за PET или позитронно-емисионна томография.
Верига с ниско ниво на шум
Коефициентът на усилване на APD се контролира от напрежението, което се подава през кръстовището в обратна посока. За да се поддържа усилването стабилно и нивото на шума ниско, това напрежение трябва да се контролира внимателно.
За да направите това, преднапрежението за APD може да бъде направено и контролирано от нискошумна предубедена верига. Тази схема използва PWM усилващ преобразувател с фиксирана честота и нисък шум
Микроконтролер, който чете термистор, компенсира температурата.
Излишен шумов фактор
В сравнение с PIN фотодиодите, APD имат повече шум, тъй като статистиката на лавинообразния процес причинява флуктуации на тока.
Факторът на излишния шум е начин да се изчисли колко повече шум има APD от детектор с ограничен шум от изстрел.
Лавинни фотодиоди
Високочувствителен полупроводников фотодиоден детектор, лавинен фотодиод (APD) използва фотоелектричния ефект, за да превърне светлината в електричество.
APD работи с високо обратно отклонение, което позволява на дупките и електроните, създадени, когато го удари фотон или светлина, да се размножават като лавини.
Това прави възможно увеличаването на усилването на фотодиода няколко пъти, което му дава широк диапазон на чувствителност.
Как работи процесът на лавинообразно умножение в APD
Процесът на лавина започва, когато фотон се абсорбира и електрон или дупка се йонизират, когато ударят нещо.
Електрическото поле дава на получените носители достатъчно енергия, за да направят вторични носители чрез ударна йонизация.
Този процес създава наводнение от двойки електрон-дупка, което дава по-силен сигнал от самото директно поглъщане.
Усилването на APD е равно на съотношението на общия брой електрони и дупки, направени от лавинообразния процес, към броя на фотоните, погълнати от устройството.
Предимства и недостатъци
Основното предимство на лавинния фотодиод е, че е много чувствителен и може да улавя сигнали с ниско ниво.
APD е по-чувствителен от другите полупроводникови фотодиоди и може да се използва на места, където други фотодиоди може да не са в състояние да достигнат същото ниво на чувствителност.
В сравнение с други видове фотодиоди, APD също така реагира по-бързо и има по-малък ток, когато не се използва.
APD обаче имат някои проблеми.
- Един от основните проблеми с APD е, че в сравнение с други фотодиоди, той се нуждае от по-високо напрежение, за да работи.
- Поради умножаването на носителите, APD също правят повече шум, отколкото би трябвало.
- Използването на правилните техники за проектиране и работни условия може да намали шума.
- И накрая, APD няма линеен изход, което може да затрудни използването му в някои ситуации.
Случаи на употреба
| Използвано в: | Описание: |
|---|---|
| Регулатори на напрежение | Лавинните диоди могат да се използват за управление на напрежението в електронните схеми чрез осигуряване на стабилно референтно напрежение. Те могат да се използват като регулатор на шунт, за да се поддържа напрежението постоянно във веригата или като сериен регулатор, за да се поддържа стабилно изходното напрежение, дори ако напрежението, което идва, се променя. |
| Генератори на импулси | Лавинните диоди могат да се използват за получаване на кратки изблици на високо напрежение в импулсни генератори. Когато се случи скок на напрежението, диодът преминава в лавинообразно прекъсване и прави остър импулс с бързо време на нарастване. Това е полезно за неща като радар, които се нуждаят от импулси с висока честота. |
| Микровълнови устройства | Диодите IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) и TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) използват лавинни диоди. Тези диоди изпращат високочестотни сигнали в микровълновия диапазон. Тези сигнали се използват в радарни системи, сателитни комуникационни системи и други високочестотни приложения. |
| Защита от пренапрежение | Лавинните диоди могат да се използват в предпазители от пренапрежение за защита на електронни устройства от пикове на напрежението и преходни пренапрежения. Те могат да фиксират напрежението на определено ниво и да предпазят устройството от повреда от високо напрежение. |
| RF усилватели | Радиочестотните (RF) усилватели могат да използват лавинообразни диоди за създаване на високомощни RF сигнали. В този случай диодът преминава в зоната на лавинообразен пробив, което води до бързо нарастване на тока и създаване на силен RF сигнал. |
| Рентгенови и гама-детектори | Лавинните диоди могат да се използват в медицински изображения и на други места като детектори за рентгенови и гама лъчи. Фотоните с много енергия се улавят от диода, който изпраща импулс от ток, който може да се използва за измерване на енергията на радиацията. |
Други приложения:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Заключение
С приключването на тази статия става ясно, че лавинните диоди са важни части от много електронни системи.
Поради това как са направени и какво могат да правят, те са полезни инструменти за всеки инженер.
Но, както всяка друга технология, използването на лавинни диоди има както плюсове, така и минуси и е важно те да се претеглят внимателно във всяко приложение.
Като инженери, ние винаги търсим най-новите и най-добрите технологии, които да ни помогнат да проектираме по-добри системи.
Но също така е важно да се запази имайте предвид, че основите на електрониката съществуват от дълго време и са също толкова важни днес, колкото са били и тогава.
Така че, независимо дали сте опитен инженер или тепърва започвате, важно е да знаете как работят лавинните диоди в съвременната електроника.
Правейки това, вие ще можете по-добре да проектирате системи, които работят добре и са надеждни за вашите приложения.
Въпреки че технологиите се променят, основните правила на електрониката остават същите.
Сподели на…
