Kao inženjer, znate koliko su diode važne za način rada elektronskih kola.
Ali znate li za lavinu diodu? Avalanche diode se razlikuju od običnih dioda jer imaju posebnu karakteristiku koja im omogućuje obavljanje niza različitih zadataka u visokonaponskim aplikacijama.
Zato se vežite i pripremite se da zaronite u fascinantan svijet lavinskih dioda!
Uvod u Avalanche Diode
Formalna definicija:
Poluvodička probojna dioda, obično napravljena od silikona, u kojoj se lavinski slom događa preko cijelog pn spoja i pad napona je tada u suštini konstantan i neovisan o struji; dva najvažnija tipa su IMPATT i TRAPATT diode.
Lavina dioda je vrsta poluvodičke diode koja je napravljena da se razbije u lavini pri određenom naponu.
Kada napon na diodi pređe određenu vrijednost, dolazi do lavinskog sloma.
Izgradnja
Zener dioda i lavinska dioda su napravljene na isti način, ali količina dopinga u lavinskoj diodi se razlikuje od one u Zener diodi.
Spoj lavinske diode je napravljen da zaustavi trenutnu koncentraciju i vruće tačke koje dolaze iz nje, tako da efekat lavine ne povrijedi diodu.
Princip rada Avalanche diode
Lavine diode su napravljene da rade u području obrnutog kvara, gdje mogu nositi veliku struju bez oštećenja.
Pn spoj lavinske diode je napravljen da zaustavi trenutnu koncentraciju i vruće tačke koje dolaze iz nje, tako da efekat lavine ne povrijedi diodu.
Kada se na lavinu diodu primijeni napon obrnutog prednapona, ona dostiže napon proboja i odlazi u područje lavinskog proboja, gdje može nositi veliku struju bez oštećenja.
Do lavinskog sloma dolazi kada je napon na diodi veći od određene vrijednosti, zbog čega struja brzo raste.
Umnožavanje lavine stvara više slobodnih elektrona i jona, što uzrokuje da velika količina struje teče kroz uređaj.
Vrste lavinskih dioda
Zener dioda
Zener dioda je vrsta diode koja pokazuje efekt Zenerovog sloma kada napon na diodi pređe određeni nivo.
Visoko električno polje preko diode uzrokuje Zenerov probojni efekat, koji je vrsta lavinskog sloma.
Zener dioda se uglavnom koristi za kontrolu napona, zaštitu od prenapona i stvaranje buke.
Avalanche Photodiode
Lavina fotodioda je vrsta poluvodičke diode koja je napravljena da radi u području lavinskog proboja.
Često se koristi kao detektor fotona visokog pojačanja u aplikacijama pri slabom osvjetljenju kao što su optički komunikacioni sistemi i uređaji za snimanje.
Kada dioda primi fotone, oni stvaraju parove elektron-rupa
Visoko električno polje u diodi tada može ubrzati ove parove elektron-rupa, uzrokujući poplavu nosilaca naboja.
Razlika između Zener i Avalanche Breakdown
Način na koji se Zener slom i lavina dešavaju glavna je razlika između njih.
Do kvara Zenera dolazi kada postoji jako električno polje u području iscrpljenosti diode
Do lavinskog sloma dolazi kada slobodni elektroni udare u atome u diodi.
Količina dopinga u diodi određuje Zenerov probojni napon, dok širina područja iscrpljivanja određuje napon lavinskog proboja.
Video: DIODE! Sve vrste i kako rade
Savjet: Uključite dugme za titl ako vam je potrebno.
Primjena lavinskih dioda
Zaštitni uređaji i regulatori napona
Većinu vremena, lavinske diode se koriste za zaštitu osjetljivih elektroničkih dijelova od oštećenja visokim naponom ili strujnim udarima u elektronskim kolima.
Mogu se koristiti i za kontrolu napona na opterećenju u strujnim krugovima, gdje rade u području obrnutog kvara.
Izvori šuma u RF i mikrotalasnim krugovima
U RF i mikrotalasnim kolima, lavinske diode se često koriste kao izvori buke.
Tokom procesa sloma lavine, elektroni i rupe se prave nasumično, što stvara bijeli šum
To ih čini korisnim za komunikaciju i elektronsko ratovanje.
Preklopni uređaji velike brzine u digitalnim kolima
U digitalnim kolima, lavinske diode se koriste kao brzi prekidači koji se mogu uključiti i isključiti u vrlo kratkom vremenu, koje se naziva pikosekunda.
Zbog toga se mogu koristiti za stvari poput brzog prijenosa podataka i digitalne obrade signala.
Detektori fotona visokog pojačanja u optoelektronskim sistemima
Lavinske fotodiode (APD) su poluvodički uređaji koji su napravljeni da rade u području lavinskog sloma kada dioda apsorbira fotone.
APD se koriste u optičkim komunikacionim sistemima, laserskim sistemima za daljinsko merenje i drugim aplikacijama na niskom nivou osvetljenja kao detektori fotona sa visokim pojačanjem.
Pad napona u lavinskim diodama
Lavine diode su dizajnirane da iskoriste prednosti lavinskog efekta, tako da imaju mali, ali primjetan pad napona kada se pokvare.
Zener diode, s druge strane, uvijek drže napon iznad tačke gdje se kvare.
Većina lavinskih dioda ima pad napona između 1 i 2 volta.
Temperaturni koeficijent napona
Zener diode imaju mali temperaturni koeficijent napona koji je negativan, dok Avalanche diode imaju mali temperaturni koeficijent napona koji je pozitivan.
To znači da kako temperatura raste, pad napona u lavinskoj diodi će lagano rasti, dok će pad napona u Zener diodi opadati kako temperatura raste.
Poređenje sa drugim diodama
Većina Schottky dioda ima pad napona između 0,15 V i 0,45 V.
Prednji napon za silicijumske diode je 0,7V, a za germanijumske diode je 0,3V.
Kako je pad napona naprijed na silikonskoj diodi gotovo konstantan na oko 0,7 V, dok struja kroz nju varira za relativno velike količine, silikonska dioda usmjerena naprijed može se koristiti kao izvor konstantnog napona.
Prednosti i nedostaci korištenja lavinskih dioda
Avalanche diode imaju nekoliko prednosti u odnosu na normalne diode. Traju duže od većine dioda, što ih čini pouzdanijima kada se koriste u određenim situacijama.
Pn spoj lavinske diode je dizajniran da spriječi koncentraciju struje i rezultirajuće vruće tačke tako da dioda ne bude oštećena lavinskim efektom.
Prednosti
Lavine diode su korisne u brojnim situacijama, kao što su zaštita kola, stvaranje buke i pronalaženje fotona.
Oni pokazuju veći nivo osjetljivosti, visoke performanse i brzo vrijeme odziva, što ih čini idealnim za korištenje u ovim aplikacijama.
Oni također mogu zaštititi kola od napona kojih ne bi trebalo biti, što ih čini korisnim u elektronskim sistemima.
Nedostaci
Ali postoje neke loše stvari o korištenju lavinskih dioda o kojima biste trebali razmišljati.
To uključuje potrebu za mnogo većim radnim naponom, nelinearnim izlazom uzrokovanim procesom lavine, mnogo višim nivoom buke i potrebom za velikim reverznim prednaponom za rad.
Avalanche diode također možda neće raditi kao druge vrste dioda, što bi u nekim situacijama moglo predstavljati problem.
Iako imaju ove probleme, lavinske diode se i dalje široko koriste u određenim situacijama zbog načina na koji rade.
Iako možda nisu tako pouzdane kao druge vrste dioda, korisne su u elektronskim sistemima jer su osjetljive i brzo reagiraju.
Razlika između Avalanche diode i PIN diode
Avalanche diode i PIN diode su obje vrste poluvodičkih dioda, ali rade na vrlo različite načine.
Radni napon
Radni napon je velika razlika između ova dva tipa.
Lavine diode su napravljene da rade u području obrnutog proboja, kojem je potreban veći napon od normalnog radnog područja.
PIN diode, s druge strane, rade u području usmjerenom naprijed, kojem je obično potreban manji napon.
Dakle, bolje je reći da je lavinskim diodama potreban veći napon da bi dosegle područje lavinskog proboja nego da im je potreban veći radni napon.
Buka
Zbog načina na koji rade, lavinske diode mogu stvarati više buke.
Ali ovaj nivo buke se može smanjiti primjenom napona u suprotnom smjeru od probojnog napona.
PIN diode se, s druge strane, obično koriste jer prave manje buke, ali ipak mogu stvarati buku ovisno o tome kako se koriste.
Unutrašnja struktura
Lavine diode imaju unutarnje mjesto gdje se elektroni množe kada se spolja primijeni obrnuti napon.
Ovo čini unutrašnje pojačanje između 10 i 100 puta veće.
S druge strane, PIN diode imaju intrinzičnu regiju koja ima veće područje iscrpljivanja i manji kapacitet od standardne pn diode.
To znači da su PIN diode osjetljivije i brže reagiraju.
Zahtjevi napona
Avalanche diode imaju napon obrnutog prednapona koji je mnogo veći, između 100 i 200 volti za silicijum.
PIN dioda, s druge strane, radi na niskom naponu i dobra je za uređaje male snage.
Sve u svemu, lavinske diode i PIN diode izrađuju se na sličan način, ali njihov različit način rada znači da se koriste u različitim situacijama.
Lavine diode se mogu koristiti sa visokim naponima, au optoelektronskim sistemima mogu se koristiti kao detektori fotona visokog pojačanja.
S druge strane, PIN diode su bolje za aplikacije male snage i visoke frekvencije kojima je potrebna niska razina buke i velika brzina.
Low Noise Avalanche Diodes
Lavine fotodiode su pravi naziv za niskošumne lavinske diode (APD).
APD su poluvodički fotodiodni detektori koji koriste fotoelektrični efekat za pretvaranje svjetlosti u električnu energiju. Veoma su osetljivi.
Njihov visoki omjer signal-šum (SNR), brz vremenski odziv, niska tamna struja i visoka osjetljivost su ono po čemu se ističu.
Primjena APD-a
APD se koriste za mnoge različite stvari, kao što su:
- Laserski daljinomjeri.
- Studije korelacije fotona.
- Sistemi za komunikaciju sa optičkim vlaknima.
- Lidar.
- Skeneri za PET ili pozitronsku emisionu tomografiju.
Niskošumno bias kolo
Pojačanje APD-a je kontrolirano naponom koji se stavlja preko spoja u suprotnom smjeru. Da bi pojačanje bilo stabilno i nivo buke nizak, ovaj napon treba pažljivo kontrolisati.
Da bi se to postiglo, napon prednapona za APD može se napraviti i kontrolirati pomoću niskošumnog prednapona. Ovaj sklop koristi PWM pojačivač sa fiksnom frekvencijom i niskim šumom
Mikrokontroler koji očitava termistor kompenzira temperaturu.
Faktor viška buke
U poređenju sa PIN fotodiodama, APD imaju više šuma jer statistika procesa lavine izaziva fluktuacije struje.
Faktor viška buke je način da se izračuna koliko više buke ima APD od detektora sa ograničenim šumom pucnja.
Avalanche Photodiodes
Visoko osjetljivi poluvodički fotodiodni detektor, lavinska fotodioda (APD) koristi fotoelektrični efekat za pretvaranje svjetlosti u električnu energiju.
APD radi sa velikom reverznom predrasudom, što omogućava da se rupe i elektroni napravljeni kada foton ili svjetlost udare u njega umnožavaju poput lavina.
Ovo omogućava da se pojačanje fotodiode nekoliko puta poveća, dajući joj širok raspon osjetljivosti.
Kako funkcioniše proces lavina umnožavanja u APD-ovima
Proces lavine počinje kada se foton apsorbira, a elektron ili rupa se ionizira kada udare u nešto.
Električno polje daje rezultujućim nosiocima dovoljno energije da naprave sekundarne nosače udarnom jonizacijom.
Ovaj proces stvara poplavu parova elektron-rupa, što daje jači signal od same direktne apsorpcije.
Dobitak APD-a je jednak omjeru ukupnog broja elektrona i rupa napravljenih lavinskim procesom i broja fotona koje apsorbira uređaj.
Prednosti i nedostaci
Glavna prednost lavinske fotodiode je da je vrlo osjetljiva i može uhvatiti signale niskog nivoa.
APD je osjetljiviji od ostalih poluvodičkih fotodioda i može se koristiti na mjestima gdje druge fotodiode možda neće moći postići isti nivo osjetljivosti.
U poređenju sa drugim tipovima fotodioda, APD takođe brže reaguje i ima manji protok struje kada se ne koristi.
Međutim, APD-ovi imaju nekih problema.
- Jedan od glavnih problema sa APD-om je taj što mu je, u poređenju sa drugim fotodiodama, potreban veći napon za rad.
- Zbog množenja nosioca, APD-ovi također prave više buke nego što bi trebali.
- Korištenje pravih tehnika dizajna i radnih uvjeta može smanjiti buku.
- Konačno, APD nema linearni izlaz, što ga može otežati za korištenje u nekim situacijama.
Slučajevi upotrebe
| Koristi se u: | Opis: |
|---|---|
| Regulatori napona | Lavine diode se mogu koristiti za kontrolu napona u elektronskim kolima osiguravanjem stabilnog referentnog napona. Mogu se koristiti kao šant regulatori za održavanje konstantnog napona u krugu ili kao serijski regulatori da bi se izlazni napon održao stabilnim čak i ako se napon promijeni. |
| Generatori impulsa | Lavine diode se mogu koristiti za stvaranje kratkih naleta visokog napona u generatorima impulsa. Kada dođe do skoka napona, dioda odlazi u lavinski slom i stvara oštar puls sa brzim vremenom porasta. Ovo je korisno za stvari poput radara, kojima su potrebni impulsi visoke frekvencije. |
| Mikrotalasni uređaji | IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) i TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) diode koriste lavinske diode. Ove diode šalju visokofrekventne signale u mikrotalasnom opsegu. Ovi signali se koriste u radarskim sistemima, satelitskim komunikacijskim sistemima i drugim visokofrekventnim aplikacijama. |
| Zaštita od prenapona | Lavine diode se mogu koristiti u zaštitnim uređajima od prenapona za zaštitu elektroničkih uređaja od skokova napona i prolaznih prenapona. Oni mogu stegnuti napon na određenom nivou i spriječiti da se uređaj ošteti visokim naponom. |
| RF pojačala | Radiofrekventna (RF) pojačala mogu koristiti lavinske diode za stvaranje RF signala velike snage. U ovom slučaju, dioda ide u područje lavinskog sloma, što uzrokuje da struja brzo raste i stvara jak RF signal. |
| Detektori rendgenskih i gama zraka | Lavine diode se mogu koristiti u medicinskom snimanju i drugim mjestima kao detektori rendgenskih i gama zraka. Fotone s puno energije pokupi dioda, koja odašilje impuls struje koji se može koristiti za mjerenje energije zračenja. |
Ostale namjene:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Zaključak
Kako se ovaj članak bliži kraju, jasno je da su lavinske diode važni dijelovi mnogih elektronskih sistema.
Zbog načina na koji su napravljeni i šta mogu da urade, korisni su alati za svakog inženjera.
Ali, kao i svaka druga tehnologija, korištenje lavinskih dioda ima i prednosti i nedostatke, i važno je to pažljivo odmjeriti u bilo kojoj primjeni.
Kao inženjeri, uvijek smo u potrazi za najnovijom i najboljom tehnologijom koja će nam pomoći da dizajniramo bolje sisteme.
Ali je takođe važno zadržati imajući u vidu da osnove elektronike postoje već dugo vremena i da su danas jednako važne kao i tada.
Dakle, bilo da ste iskusni inženjer ili tek počinjete, važno je znati kako lavinske diode rade u modernoj elektronici.
Radeći to, moći ćete bolje dizajnirati sisteme koji dobro rade i pouzdani za vaše aplikacije.
Iako se tehnologija mijenja, osnovna pravila elektronike ostaju ista.
Podijelite na…
