Som ingeniør ved du, hvor vigtige dioder er for den måde, elektroniske kredsløb fungerer på.
Men kender du til lavinedioden? Lavinedioder er forskellige fra almindelige dioder, fordi de har en speciel funktion, der lader dem udføre en række forskellige opgaver i højspændingsapplikationer.
Så spænd op og gør dig klar til at dykke ned i lavinediodernes fascinerende verden!
Introduktion til Avalanche Diode
Formel definition:
En halvledernedbrydningsdiode, sædvanligvis lavet af silicium, hvor lavinesammenbrud sker over hele pn-overgangen, og spændingsfaldet er så i det væsentlige konstant og uafhængig af strøm; de to vigtigste typer er IMPATT og TRAPATT dioder.
En lavinediode er en type halvlederdiode, der er lavet til at bryde ned i en lavine ved en bestemt spænding.
Når spændingen over en diode går over en vis værdi, sker der lavinesammenbrud.
Konstruktion
En Zener-diode og en lavinediode er begge lavet på samme måde, men mængden af doping i en lavinediode er forskellig fra den i en Zener-diode.
Krydset mellem en lavinediode er lavet til at stoppe strømkoncentrationen og de varme punkter, der kommer fra den, så lavineeffekten ikke skader dioden.
Arbejdsprincippet for lavinediode
Lavinedioder er lavet til at arbejde i omvendt nedbrydningsregion, hvor de kan føre en stor strøm uden at blive beskadiget.
En lavinediodes pn-kryds er lavet for at stoppe strømkoncentrationen og de varme punkter, der kommer fra den, så lavineeffekten ikke skader dioden.
Når en omvendt forspænding påføres lavinedioden, når den nedbrudsspændingen og går ind i lavinenedbrudsområdet, hvor den kan føre en stor strøm uden at blive beskadiget.
Lavinesammenbrud sker, når spændingen over dioden er højere end en bestemt værdi, hvilket får strømmen til at stige hurtigt.
Lavinemultiplikation giver flere frie elektroner og ioner, hvilket får en stor mængde strøm til at strømme gennem enheden.
Typer af lavinedioder
Zener diode
Zener-dioden er en type diode, der viser Zener-nedbrydningseffekten, når spændingen over dioden går over et vist niveau.
Et højt elektrisk felt på tværs af dioden forårsager Zener-nedbrydningseffekten, som er en type lavinesammenbrud.
Zener-dioden bruges mest til at styre spændingen, beskytte mod overspændinger og lave støj.
Lavine fotodiode
Lavinefotodioden er en type halvlederdiode, der er lavet til at arbejde i lavinenedbrydningsområdet.
Det bruges ofte som en højforstærket fotondetektor i svagt lys applikationer som fiberoptiske kommunikationssystemer og billedbehandlingsenheder.
Når fotoner optages af dioden, danner de elektron-hul-par
Det høje elektriske felt i dioden kan så fremskynde disse elektron-hul-par, hvilket forårsager en oversvømmelse af ladningsbærere.
Forskellen mellem Zener og Avalanche Breakdown
Den måde, hvorpå Zener-sammenbrud og lavinesammenbrud sker, er den største forskel mellem de to.
Zener-nedbrydning sker, når der er et stærkt elektrisk felt på tværs af diodens udtømningsområde
Lavinesammenbrud sker, når frie elektroner rammer atomer i dioden.
Mængden af doping i en diode bestemmer Zener-nedbrydningsspændingen, mens bredden af udtømningsområdet bestemmer lavine-nedbrydningsspændingen.
Video: DIODES! Alle slags dem og hvordan de fungerer
Tip: Slå billedtekstknappen til, hvis du har brug for det.
Anvendelser af lavinedioder
Beskyttelsesanordninger og spændingsregulatorer
Det meste af tiden bruges lavinedioder til at beskytte følsomme elektroniske dele mod at blive beskadiget af højspænding eller strømstød i elektroniske kredsløb.
De kan også bruges til at styre spændingen over en belastning i kredsløb, hvor de arbejder i omvendt nedbrydningsregion.
Støjkilder i RF- og mikrobølgekredsløb
I RF- og mikrobølgekredsløb bruges lavinedioder ofte som støjkilder.
Under lavinenedbrydningsprocessen laves elektroner og huller tilfældigt, hvilket giver hvid støj
Dette gør dem nyttige til kommunikation og elektronisk krigsførelse.
Højhastighedskoblingsenheder i digitale kredsløb
I digitale kredsløb bruges lavinedioder som højhastighedsafbrydere, der kan tænde og slukke på meget kort tid, kaldet et picosekund.
På grund af dette kan de bruges til ting som højhastighedsdataoverførsel og digital signalbehandling.
Højforstærkede fotondetektorer i optoelektroniske systemer
Lavinefotodioder (APD'er) er halvlederenheder, der er lavet til at arbejde i lavinenedbrydningsområdet, når fotoner absorberes af dioden.
APD'er bruges i fiberoptiske kommunikationssystemer, laserafstandssystemer og andre applikationer med lavt lysniveau som fotondetektorer med høj forstærkning.
Spændingsfald i lavinedioder
Lavinedioder er designet til at udnytte lavineeffekten, så de har et lille, men mærkbart spændingsfald, når de bryder sammen.
Zenerdioder derimod holder altid spændingen over det punkt, hvor de bryder sammen.
De fleste lavinedioder har et spændingsfald på mellem 1 og 2 volt.
Temperaturkoefficient for spænding
Zenerdioder har en lille temperaturkoefficient for spænding, der er negativ, mens lavinedioder har en lille temperaturkoefficient for spænding, der er positiv.
Det betyder, at når temperaturen stiger, vil spændingsfaldet i en lavinediode stige lidt, mens spændingsfaldet i en Zener-diode vil falde, når temperaturen stiger.
Sammenligning med andre dioder
De fleste Schottky-dioder har et spændingsfald på mellem 0,15V og 0,45V.
Fremadspændingen for siliciumdioder er 0,7V, og for Germaniumdioder er den 0,3V.
Da fremadspændingsfaldet over en siliciumdiode er næsten konstant på omkring 0,7v, mens strømmen igennem den varierer relativt store mængder, kan en fremadrettet siliciumdiode bruges som konstantspændingskilde.
Fordele og ulemper ved at bruge lavinedioder
Lavinedioder har flere fordele i forhold til normale dioder. De holder længere end de fleste dioder, hvilket gør dem mere pålidelige, når de bruges i visse situationer.
En lavinediodes pn-forbindelse er designet til at forhindre strømkoncentration og resulterende hot spots, så dioden er ubeskadiget af lavineeffekten.
Fordelene
Lavinedioder er nyttige i en række situationer, såsom at beskytte kredsløb, lave støj og finde fotoner.
De udviser et højere niveau af følsomhed, høj ydeevne og hurtig responstid, hvilket gør dem ideelle til brug i disse applikationer.
De kan også beskytte kredsløb mod spændinger, der ikke burde være der, hvilket gør dem nyttige i elektroniske systemer.
Ulemperne
Men der er nogle dårlige ting ved at bruge lavinedioder, som du bør tænke over.
Disse omfatter behovet for en meget højere driftsspænding, et ikke-lineært output forårsaget af lavineprocessen, et meget højere støjniveau og behovet for en høj omvendt bias for at virke.
Lavinedioder fungerer muligvis heller ikke så godt som andre typer dioder, hvilket kan være et problem i nogle situationer.
Selvom de har disse problemer, er lavinedioder stadig meget brugt i visse situationer på grund af, hvordan de fungerer.
Selvom de måske ikke er så pålidelige som andre typer dioder, er de nyttige i elektroniske systemer, fordi de er følsomme og reagerer hurtigt.
Forskellen mellem Avalanche Diode og PIN Diode
Lavinedioder og PIN-dioder er begge typer halvlederdioder, men de virker på vidt forskellige måder.
Driftsspænding
Løbespændingen er en stor forskel mellem de to typer.
Lavinedioder er lavet til at arbejde i det omvendte nedbrudsområde, som har brug for en højere spænding end det normale driftsområde.
PIN-dioder arbejder på den anden side i det fremadrettede område, som normalt har brug for mindre spænding.
Så det er bedre at sige, at lavinedioder har brug for en højere spænding for at nå lavinesammenbrudsregionen, end at de har brug for en højere driftsspænding.
Støj
På grund af hvordan de fungerer, kan lavinedioder lave mere støj.
Men dette støjniveau kan sænkes ved at påføre en spænding i modsat retning af nedbrydningsspændingen.
PIN-dioder bliver derimod normalt brugt, fordi de larmer mindre, men de kan stadig lave noget støj afhængigt af, hvordan de bliver brugt.
Indre struktur
Lavinedioder har et sted indeni, hvor elektroner formerer sig, når der påføres en omvendt spænding udefra.
Dette gør den interne forstærkning mellem 10 og 100 gange større.
På den anden side har PIN-dioder et iboende område, der har et større udtømningsområde og mindre kapacitans end en standard pn-diode.
Det betyder, at PIN-dioder er mere følsomme og reagerer hurtigere.
Spændingskrav
Lavinedioder har en omvendt biasspænding, der er meget højere, mellem 100 og 200 volt for silicium.
PIN-dioden på den anden side fungerer ved lav spænding og er god til enheder med lavt strømforbrug.
Samlet set laves lavinedioder og PIN-dioder på lignende måder, men deres forskellige måder at arbejde på betyder, at de bruges i forskellige situationer.
Lavinedioder kan bruges med høje spændinger, og i optoelektroniske systemer kan de bruges som højforstærkede fotondetektorer.
På den anden side er PIN-dioder bedre til lav-effekt, højfrekvente applikationer, der både kræver lav støj og høj hastighed.
Lav støj lavinedioder
Lavinefotodioder er det korrekte navn for lavstøjs lavinedioder (APD'er).
APD'er er halvleder fotodiode detektorer, der bruger den fotoelektriske effekt til at omdanne lys til elektricitet. De er meget følsomme.
Deres høje signal-til-støj-forhold (SNR), hurtige tidsrespons, lave mørkestrøm og høje følsomhed er det, der får dem til at skille sig ud.
Anvendelser af APD'er
APD'er bruges til mange forskellige ting, såsom:
- Laser afstandsmålere.
- Undersøgelser af foton-korrelation.
- Systemer til kommunikation med fiberoptik.
- Lidar.
- Scannere til PET eller positronemissionstomografi.
Støjsvag bias-kredsløb
Forstærkningen af en APD styres af den spænding, der sættes over krydset i den modsatte retning. For at holde forstærkningen stabil og støjniveauet lavt, skal denne spænding kontrolleres omhyggeligt.
For at gøre dette kan forspændingen for APD'er laves og styres af et støjsvagt forspændingskredsløb. Dette kredsløb bruger en PWM boost-konverter med en fast frekvens og lav støj
En mikrocontroller, der læser en termistor, kompenserer for temperaturen.
Overskydende støjfaktor
Sammenlignet med PIN-fotodioder har APD'er mere støj, fordi statistikkerne for lavineprocessen forårsager strømudsving.
Den overskydende støjfaktor er en måde at beregne, hvor meget mere støj en APD har end en skudstøjbegrænset detektor.
Lavine fotodioder
En meget følsom halvleder fotodiode detektor, en lavinefotodiode (APD) bruger den fotoelektriske effekt til at omdanne lys til elektricitet.
APD'en arbejder med en høj omvendt bias, som lader de huller og elektroner, der dannes, når en foton eller lys rammer den, formere sig som laviner.
Dette gør det muligt at øge forstærkningen af fotodioden flere gange, hvilket giver den en bred vifte af følsomhed.
Hvordan lavinemultiplikationsprocessen fungerer i APD'er
Lavineprocessen starter, når en foton absorberes, og en elektron eller et hul ioniseres, når de rammer noget.
Det elektriske felt giver de resulterende bærere nok energi til at lave sekundære bærere gennem stødionisering.
Denne proces laver en strøm af elektron-hul-par, som giver et stærkere signal end direkte absorption alene.
Forstærkningen af APD er lig med forholdet mellem det samlede antal elektroner og huller lavet af lavineprocessen og antallet af fotoner absorberet af enheden.
Fordele og ulemper
Den største fordel ved en lavinefotodiode er, at den er meget følsom og kan opfange lavniveausignaler.
APD'en er mere følsom end andre halvlederfotodioder og kan bruges på steder, hvor andre fotodioder muligvis ikke er i stand til at nå det samme følsomhedsniveau.
Sammenlignet med andre typer fotodioder reagerer APD'en også hurtigere og har mindre strøm, når den ikke bruges.
APD'er har dog nogle problemer.
- Et af hovedproblemerne med en APD er, at den i forhold til andre fotodioder skal have en højere spænding for at virke.
- På grund af carrier multiplikation larmer APD'er også mere, end de burde.
- Brug af de rigtige designteknikker og driftsbetingelser kan reducere støjen.
- Endelig har en APD ikke et lineært output, hvilket kan gøre det sværere at bruge i nogle situationer.
Brug cases
| Brugt i: | Beskrivelse: |
|---|---|
| Spændingsregulatorer | Lavinedioder kan bruges til at styre spændingen i elektroniske kredsløb ved at give en stabil referencespænding. De kan bruges som en shuntregulator for at holde spændingen konstant over kredsløbet eller som en serieregulator for at holde udgangsspændingen stabil, selvom spændingen, der kommer ind, ændres. |
| Pulsgeneratorer | Lavinedioder kan bruges til at lave korte udbrud af højspænding i impulsgeneratorer. Når der sker en spændingsstigning, går dioden i lavinesammenbrud og laver en skarp puls med en hurtig stigetid. Dette er nyttigt til ting som radar, som har brug for pulser med en høj frekvens. |
| Mikrobølgeapparater | IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) og TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) dioder bruger lavinedioder. Disse dioder udsender højfrekvente signaler i mikrobølgeområdet. Disse signaler bruges i radarsystemer, satellitkommunikationssystemer og andre højfrekvente applikationer. |
| Overspændingsbeskyttelse | Lavinedioder kan bruges i overspændingsbeskyttere for at beskytte elektroniske enheder mod spændingsspidser og forbigående overspændinger. De kan klemme spændingen på et vist niveau og forhindre enheden i at blive beskadiget af højspænding. |
| RF forstærkere | Radiofrekvens (RF) forstærkere kan bruge lavinedioder til at lave højeffekt RF-signaler. I dette tilfælde går dioden ind i lavinenedbrydningsområdet, hvilket får strømmen til at stige hurtigt og lave et stærkt RF-signal. |
| Røntgen- og gammastråledetektorer | Lavinedioder kan bruges til medicinsk billeddannelse og andre steder som røntgen- og gammastråledetektorer. Fotoner med meget energi opfanges af dioden, som udsender en strømpuls, som kan bruges til at måle strålingens energi. |
Andre anvendelser:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Konklusion
Da denne artikel nærmer sig enden, er det klart, at lavinedioder er vigtige dele af mange elektroniske systemer.
På grund af hvordan de er lavet og hvad de kan, er de nyttige værktøjer for enhver ingeniør.
Men som enhver anden teknologi har brug af lavinedioder både fordele og ulemper, og det er vigtigt at veje disse omhyggeligt i enhver applikation.
Som ingeniører leder vi altid efter den nyeste og bedste teknologi til at hjælpe os med at designe bedre systemer.
Men det er også vigtigt at beholde huske på, at det grundlæggende i elektronik har eksisteret i lang tid og er lige så vigtigt i dag, som det var dengang.
Så uanset om du er en erfaren ingeniør eller lige er startet, er det vigtigt at vide, hvordan lavinedioder fungerer i moderne elektronik.
Ved at gøre dette vil du være bedre i stand til at designe systemer, der fungerer godt og er pålidelige til dine applikationer.
Selvom teknologien ændrer sig, forbliver de grundlæggende regler for elektronik de samme.
Del på…
