Jako inženýr víte, jak důležité jsou diody pro fungování elektronických obvodů.
Víte ale o lavinové diodě? Lavinové diody se liší od běžných diod, protože mají speciální vlastnost, která jim umožňuje provádět řadu různých úkolů ve vysokonapěťových aplikacích.
Tak se připoutejte a připravte se ponořit se do fascinujícího světa lavinových diod!
Úvod do Avalanche Diode
Formální definice:
Polovodičová průrazná dioda, obvykle vyrobená z křemíku, u které dochází k lavinovému průrazu přes celý pn přechod a pokles napětí je pak v podstatě konstantní a nezávislý na proudu; dva nejdůležitější typy jsou diody IMPATT a TRAPATT.
Lavinová dioda je typ polovodičové diody, která se při určitém napětí rozpadne v lavině.
Když napětí na diodě překročí určitou hodnotu, dojde k lavinovému průrazu.
Konstrukce
Zenerova dioda a lavinová dioda jsou obě vyrobeny stejným způsobem, ale množství dopingu v lavinové diodě je jiné než v Zenerově diodě.
Spojení lavinové diody je vyrobeno tak, aby zastavilo koncentraci proudu a z něj vycházející horká místa, takže lavinový efekt diodu nepoškodí.
Princip činnosti Avalanche Diode
Lavinové diody jsou vyrobeny pro práci v oblasti zpětného průrazu, kde mohou přenášet velký proud bez poškození.
Pn přechod lavinové diody je vyroben tak, aby zastavil koncentraci proudu a z něj vycházející horká místa, takže lavinový efekt diodu nepoškodí.
Když je na lavinovou diodu přivedeno zpětné předpětí, dosáhne průrazného napětí a přejde do oblasti lavinového průrazu, kde může přenášet velký proud bez poškození.
Lavinový průraz nastává, když je napětí na diodě vyšší než určitá hodnota, díky čemuž proud rychle stoupá.
Lavinovým násobením vzniká více volných elektronů a iontů, což způsobuje, že zařízením protéká velké množství proudu.
Typy lavinových diod
Zenerova dioda
Zenerova dioda je typ diody, která vykazuje Zenerův průrazný efekt, když napětí na diodě překročí určitou úroveň.
Vysoké elektrické pole přes diodu způsobuje Zenerův průrazný efekt, což je typ lavinového průrazu.
Zenerova dioda se většinou používá k ovládání napětí, ochraně proti přepětí a vytváření hluku.
Lavinová fotodioda
Lavinová fotodioda je typ polovodičové diody, která je vyrobena pro práci v oblasti lavinového průrazu.
Často se používá jako detektor fotonů s vysokým ziskem v aplikacích se slabým osvětlením, jako jsou komunikační systémy z optických vláken a zobrazovací zařízení.
Když jsou fotony přijímány diodou, vytvářejí páry elektron-díra
Vysoké elektrické pole v diodě pak může urychlit tyto páry elektron-díra, což způsobí záplavu nosičů náboje.
Rozdíl mezi Zenerovým a Avalanche Breakdown
Způsob, jakým se Zenerova porucha a lavinová porucha odehrávají, je hlavním rozdílem mezi těmito dvěma.
Zenerův průraz nastává, když je přes oblast vyčerpání diody silné elektrické pole
Lavinový průraz nastane, když volné elektrony narazí na atomy v diodě.
Množství dopingu v diodě určuje Zenerovo průrazné napětí, zatímco šířka oblasti vyčerpání určuje napětí lavinového průrazu.
Video: DIODY! Všechny druhy a jak fungují
Tip: Pokud potřebujete, zapněte tlačítko titulků.
Aplikace lavinových diod
Ochranná zařízení a regulátory napětí
Lavinové diody se většinou používají k ochraně citlivých elektronických součástí před poškozením vysokými napěťovými nebo proudovými rázy v elektronických obvodech.
Mohou být také použity pro řízení napětí na zátěži v obvodech, kde pracují v oblasti zpětného průrazu.
Zdroje hluku ve vysokofrekvenčních a mikrovlnných obvodech
V RF a mikrovlnných obvodech se jako zdroje šumu často používají lavinové diody.
Během procesu lavinového rozpadu se náhodně vytvářejí elektrony a díry, což vytváří bílý šum
Díky tomu jsou užitečné pro komunikaci a elektronický boj.
Vysokorychlostní spínací zařízení v digitálních obvodech
V digitálních obvodech se lavinové diody používají jako vysokorychlostní spínače, které se dokážou zapnout a vypnout ve velmi krátkém čase, nazývaném pikosekunda.
Z tohoto důvodu je lze použít pro věci, jako je vysokorychlostní přenos dat a digitální zpracování signálu.
Fotonové detektory s vysokým ziskem v optoelektronických systémech
Lavinové fotodiody (APD) jsou polovodičová zařízení, která pracují v oblasti lavinového průrazu, když jsou fotony absorbovány diodou.
APD se používají v optických komunikačních systémech, laserových měřících systémech a dalších aplikacích s nízkou úrovní osvětlení jako fotonové detektory s vysokým ziskem.
Pokles napětí v lavinových diodách
Lavinové diody jsou navrženy tak, aby využívaly lavinový efekt, takže mají malý, ale znatelný úbytek napětí při poruše.
Zenerovy diody naproti tomu vždy udržují napětí nad bodem, kde se rozbijí.
Většina lavinových diod má úbytek napětí mezi 1 a 2 volty.
Teplotní součinitel napětí
Zenerovy diody mají malý teplotní koeficient napětí, který je záporný, zatímco Avalanche diody mají malý teplotní koeficient napětí, který je kladný.
To znamená, že jak teplota stoupá, pokles napětí v lavinové diodě se mírně zvýší, zatímco pokles napětí v Zenerově diodě se sníží, když teplota stoupá.
Srovnání s jinými diodami
Většina Schottkyho diod má úbytek napětí mezi 0,15V a 0,45V.
Propustné napětí pro křemíkové diody je 0,7 V a pro germaniové diody je to 0,3 V.
Vzhledem k tomu, že pokles napětí v propustném směru na křemíkové diodě je téměř konstantní na úrovni přibližně 0,7 V, zatímco proud procházející touto diodou se mění o relativně velké hodnoty, lze jako zdroj konstantního napětí použít dopředně předepjatou křemíkovou diodu.
Výhody a nevýhody použití lavinových diod
Lavinové diody mají oproti běžným diodám několik výhod. Vydrží déle než většina diod, což je činí spolehlivějšími při použití v určitých situacích.
Pn přechod lavinové diody je navržen tak, aby zabránil koncentraci proudu a výsledným horkým místům, takže dioda není lavinovým efektem poškozena.
Výhody
Lavinové diody jsou užitečné v řadě situací, jako je ochrana obvodů, vytváření hluku a hledání fotonů.
Vykazují vyšší úroveň citlivosti, vysoký výkon a rychlou dobu odezvy, díky čemuž jsou ideální pro použití v těchto aplikacích.
Mohou také chránit obvody před napětím, které by tam nemělo být, což je činí užitečnými v elektronických systémech.
Nevýhody
Ale na používání lavinových diod je pár špatných věcí, na které byste měli myslet.
Patří mezi ně potřeba mnohem vyššího provozního napětí, nelineární výstup způsobený lavinovým procesem, mnohem vyšší hladina hluku a potřeba vysokého zpětného předpětí, aby fungoval.
Lavinové diody také nemusí fungovat tak dobře jako jiné typy diod, což může být v některých situacích problém.
I když mají tyto problémy, lavinové diody jsou stále široce používány v určitých situacích kvůli tomu, jak fungují.
I když nemusí být tak spolehlivé jako jiné typy diod, jsou užitečné v elektronických systémech, protože jsou citlivé a rychle reagují.
Rozdíl mezi Avalanche Diode a PIN Diode
Lavinové diody a PIN diody jsou oba typy polovodičových diod, ale fungují velmi odlišnými způsoby.
Provozní napětí
Provozní napětí je velký rozdíl mezi těmito dvěma typy.
Lavinové diody jsou vyrobeny tak, aby pracovaly v oblasti zpětného průrazu, která potřebuje vyšší napětí než normální provozní oblast.
PIN diody na druhé straně pracují v oblasti s předpětím, která obvykle potřebuje menší napětí.
Je tedy lepší říci, že lavinové diody potřebují vyšší napětí, aby dosáhly oblasti lavinového průrazu, než že potřebují vyšší provozní napětí.
Hluk
Díky tomu, jak fungují, mohou lavinové diody vydávat více hluku.
Ale tato hladina hluku může být snížena aplikací napětí v opačném směru, než je průrazné napětí.
Na druhou stranu PIN diody se obvykle používají, protože vydávají méně hluku, ale stále mohou vydávat určitý hluk v závislosti na tom, jak jsou používány.
Vnitřní struktura
Lavinové diody mají uvnitř místo, kde se elektrony množí, když je zvenčí aplikováno zpětné napětí.
Díky tomu je vnitřní zesílení 10 až 100krát větší.
Na druhou stranu, PIN diody mají vnitřní oblast, která má větší oblast vyčerpání a menší kapacitu než standardní pn dioda.
To znamená, že PIN diody jsou citlivější a reagují rychleji.
Požadavky na napětí
Lavinové diody mají zpětné předpětí, které je mnohem vyšší, mezi 100 a 200 volty pro křemík.
PIN dioda na druhou stranu pracuje při nízkém napětí a je dobrá pro zařízení s nízkou spotřebou.
Celkově jsou lavinové diody a PIN diody vyrobeny podobným způsobem, ale jejich různé způsoby práce znamenají, že se používají v různých situacích.
Lavinové diody lze použít s vysokým napětím a v optoelektronických systémech je lze použít jako detektory fotonů s vysokým ziskem.
Na druhou stranu jsou PIN diody lepší pro nízkopříkonové, vysokofrekvenční aplikace, které potřebují jak nízkou hlučnost, tak vysokou rychlost.
Lavinové diody s nízkou hlučností
Lavinové fotodiody jsou správný název pro nízkošumové lavinové diody (APD).
APD jsou polovodičové fotodiodové detektory, které využívají fotoelektrický efekt k přeměně světla na elektřinu. Jsou velmi citliví.
Jejich vysoký poměr signálu k šumu (SNR), rychlá časová odezva, nízký temný proud a vysoká citlivost jsou tím, co je dělá vyniknout.
Aplikace APD
APD se používají pro mnoho různých věcí, jako například:
- Laserové dálkoměry.
- Studium fotonové korelace.
- Systémy pro komunikaci s vláknovou optikou.
- Lidar.
- Skenery pro PET, neboli pozitronovou emisní tomografii.
Obvod s nízkou hlučností
Zisk APD je řízen napětím, které je vedeno přes přechod v opačném směru. Aby byl zisk stabilní a hladina šumu nízká, je třeba toto napětí pečlivě kontrolovat.
K tomu může být předpětí pro APD vytvořeno a řízeno nízkošumovým obvodem předpětí. Tento obvod využívá PWM boost měnič s pevnou frekvencí a nízkým šumem
Mikrokontrolér, který čte termistor, kompenzuje teplotu.
Faktor nadměrného hluku
Ve srovnání s PIN fotodiodami mají APD větší šum, protože statistika lavinového procesu způsobuje kolísání proudu.
Faktor nadměrného šumu je způsob, jak vypočítat, o kolik větší šum má APD než detektor s omezeným šumem výstřelu.
Lavinové fotodiody
Vysoce citlivý polovodičový fotodiodový detektor, lavinová fotodioda (APD) využívá fotoelektrický efekt k přeměně světla na elektřinu.
APD pracuje s vysokým zpětným předpětím, což umožňuje, aby se díry a elektrony vytvořené při dopadu fotonu nebo světla množily jako laviny.
To umožňuje několikrát zvýšit zisk fotodiody, což jí dává široký rozsah citlivosti.
Jak funguje proces lavinové multiplikace v APD
Lavinový proces začíná, když je foton absorbován a elektron nebo díra jsou ionizovány, když něco narazí.
Elektrické pole dává výsledným nosičům dostatek energie k vytvoření sekundárních nosičů prostřednictvím nárazové ionizace.
Tento proces vytváří záplavu párů elektron-díra, což dává silnější signál než samotná přímá absorpce.
Zisk APD se rovná poměru celkového počtu elektronů a děr vytvořených lavinovým procesem k počtu fotonů absorbovaných zařízením.
Výhody a nevýhody
Hlavní výhodou lavinové fotodiody je, že je velmi citlivá a dokáže zachytit signály nízké úrovně.
APD je citlivější než jiné polovodičové fotodiody a lze ji použít v místech, kde jiné fotodiody nemusí být schopny dosáhnout stejné úrovně citlivosti.
Ve srovnání s jinými typy fotodiod APD také reaguje rychleji a má menší průtok proudu, když se nepoužívá.
APD však mají určité problémy.
- Jedním z hlavních problémů s APD je to, že ve srovnání s jinými fotodiodami potřebuje ke své činnosti vyšší napětí.
- Kvůli násobení přenašečů také APD vydávají více hluku, než by měly.
- Použití správných konstrukčních technik a provozních podmínek může snížit hluk.
- A konečně APD nemá lineární výstup, což může v některých situacích ztížit použití.
Případy užití
| Použito v: | Popis: |
|---|---|
| Regulátory napětí | Lavinové diody lze použít k řízení napětí v elektronických obvodech poskytováním stabilního referenčního napětí. Mohou být použity jako bočníkové regulátory pro udržení konstantního napětí v obvodu nebo jako sériové regulátory pro udržení stabilního výstupního napětí, i když se přicházející napětí mění. |
| Pulzní generátory | Lavinové diody lze použít k vytváření krátkých návalů vysokého napětí v pulzních generátorech. Když dojde k napěťové špičce, dioda přejde do lavinového průrazu a vytvoří ostrý pulz s rychlým náběhem. To je užitečné pro věci, jako je radar, který potřebuje pulsy s vysokou frekvencí. |
| Mikrovlnná zařízení | Diody IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) a TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) využívají lavinové diody. Tyto diody vysílají vysokofrekvenční signály v mikrovlnném rozsahu. Tyto signály se používají v radarových systémech, satelitních komunikačních systémech a dalších vysokofrekvenčních aplikacích. |
| Ochrana proti přepětí | Lavinové diody lze použít v přepěťových ochranách k ochraně elektronických zařízení před napěťovými špičkami a přechodnými přepětími. Mohou sevřít napětí na určité úrovni a zabránit poškození zařízení vysokým napětím. |
| RF zesilovače | Radiofrekvenční (RF) zesilovače mohou používat lavinové diody k vytváření vysoce výkonných RF signálů. V tomto případě se dioda dostane do oblasti lavinového průrazu, což způsobí rychlé zvýšení proudu a vytvoření silného RF signálu. |
| Rentgenové a gama detektory | Lavinové diody lze použít v lékařském zobrazování a na dalších místech jako detektory rentgenového a gama záření. Fotony s velkou energií jsou zachycovány diodou, která vysílá proudový impuls, který lze použít k měření energie záření. |
Další použití:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Závěr
Jak se tento článek chýlí ke konci, je jasné, že lavinové diody jsou důležitou součástí mnoha elektronických systémů.
Vzhledem k tomu, jak jsou vyrobeny a co dokážou, jsou užitečnými nástroji pro každého inženýra.
Ale jako každá jiná technologie má používání lavinových diod své klady i zápory a je důležité je pečlivě zvážit v každé aplikaci.
Jako inženýři vždy hledáme nejnovější a nejlepší technologii, která nám pomůže navrhnout lepší systémy.
Důležité je ale také dodržet na paměti, že základy elektroniky jsou tu již dlouho a jsou dnes stejně důležité jako tehdy.
Ať už jste zkušený inženýr nebo teprve začínáte, je důležité vědět, jak fungují lavinové diody v moderní elektronice.
Díky tomu budete moci lépe navrhovat systémy, které dobře fungují a jsou spolehlivé pro vaše aplikace.
I když se technologie mění, základní pravidla elektroniky zůstávají stejná.
Sdílet na…
