Laviinidioodide Mõistmine: Juhend Inseneridele

Insenerina teate, kui olulised on dioodid elektroonikalülituste töös.

Aga kas sa tead laviinidioodist? Laviinidioodid erinevad tavalistest dioodidest, kuna neil on eriline funktsioon, mis võimaldab neil kõrgepingerakendustes täita mitmeid erinevaid ülesandeid.

Nii et pange kinni ja valmistuge sukelduma laviinidioodide põnevasse maailma!

Avalanche Diode tutvustus

Ametlik määratlus:

Tavaliselt ränist valmistatud pooljuhtdiood, milles laviini purunemine toimub kogu pn-siirde ulatuses ja pingelang on siis sisuliselt konstantne ja voolust sõltumatu; kaks kõige olulisemat tüüpi on IMPATT ja TRAPATT dioodid.

Laviindiood on teatud tüüpi pooljuhtdiood, mis teatud pinge korral laviinis lagunema.

Kui dioodi pinge ületab teatud väärtuse, toimub laviini purunemine.

Ehitus

Zeneri diood ja laviinidiood on mõlemad valmistatud samal viisil, kuid dopingu kogus laviinidioodis erineb Zeneri dioodi omast.

Laviinidioodi ühenduskoht on tehtud voolu kontsentratsiooni ja sellest tulenevate kuumade punktide peatamiseks, et laviiniefekt dioodile haiget ei teeks.

Avalanche dioodi tööpõhimõte

Laviinidioodid on loodud töötama vastupidises rikkepiirkonnas, kus nad võivad kahjustamata kanda suurt voolu.

Laviinidioodi pn-siirde on tehtud voolu kontsentratsiooni ja sellest tulenevate kuumade punktide peatamiseks, et laviiniefekt dioodile haiget ei teeks.

Kui laviinidioodile rakendatakse vastupidine eelpinge, jõuab see läbilöögipingeni ja läheb laviini purunemise piirkonda, kus see võib kahjustamata kanda suurt voolu.

Laviini purunemine toimub siis, kui dioodi pinge on teatud väärtusest kõrgem, mis paneb voolu kiiresti tõusma.

Laviinide paljunemisel tekib rohkem vabu elektrone ja ioone, mistõttu liigub läbi seadme suur hulk voolu.

Laviinidioodide tüübid

Zeneri diood

Zeneri diood on teatud tüüpi diood, mis näitab Zeneri rikkeefekti, kui dioodi pinge ületab teatud taseme.

Kõrge elektriväli üle dioodi põhjustab Zeneri rikkeefekti, mis on teatud tüüpi laviini purunemine.

Zeneri dioodi kasutatakse enamasti pinge juhtimiseks, kaitseks liigpingete eest ja müra tekitamiseks.

Laviini fotodiood

Laviini fotodiood on teatud tüüpi pooljuhtdiood, mis on loodud töötama laviini purunemise piirkonnas.

Seda kasutatakse sageli suure võimendusega footonidetektorina vähese valgusega rakendustes, nagu fiiberoptilised sidesüsteemid ja pildiseadmed.

Kui diood võtab footoneid sisse, loovad nad elektron-augu paarid

Dioodi suur elektriväli võib seejärel kiirendada neid elektron-augu paare, põhjustades laengukandjate tulva.

Erinevus Zeneri ja Avalanche'i jaotuse vahel

Zeneri ja laviini purunemise viis on nende kahe peamine erinevus.

Zeneri rike tekib siis, kui dioodi ammendumise piirkonnas on tugev elektriväli

Laviini purunemine toimub siis, kui vabad elektronid tabavad dioodis olevaid aatomeid.

Dioodi dopingu kogus määrab Zeneri läbilöögipinge, ammendumispiirkonna laius aga laviini läbilöögipinge.

Video: DIOODID! Igasugused need ja kuidas need töötavad

Nõuanne. Lülitage subtiitrite nupp sisse, kui seda vajate.

Laviinidioodide rakendused

Kaitseseadmed ja pingeregulaatorid

Enamasti kasutatakse laviinidioode tundlike elektrooniliste osade kaitsmiseks elektroonikaahelate kõrgepinge või voolu järskude kahjustuste eest.

Neid saab kasutada ka koormuse pinge juhtimiseks ahelates, kus nad töötavad vastupidises rikke piirkonnas.

Müraallikad raadiosagedus- ja mikrolaineahelates

RF- ja mikrolaineahelates kasutatakse sageli müraallikatena laviinidioode.

Laviini lagunemise käigus tekivad juhuslikult elektronid ja augud, mis tekitab valget müra

See muudab need kasulikuks suhtlemiseks ja elektrooniliseks sõjapidamiseks.

Kiired lülitusseadmed digitaalsetes ahelates

Digitaalsetes ahelates kasutatakse laviinidioode kiirete lülititena, mis võivad sisse ja välja lülituda väga lühikese aja jooksul, mida nimetatakse pikosekundiks.

Seetõttu saab neid kasutada näiteks kiireks andmeedastuseks ja digitaalseks signaalitöötluseks.

Suure võimendusega fotonidetektorid optoelektroonikasüsteemides

Laviini fotodioodid (APD) on pooljuhtseadmed, mis on loodud töötama laviini purunemise piirkonnas, kui diood neelavad footonid.

APD-sid kasutatakse kiudoptilistes sidesüsteemides, laserkauguse määramise süsteemides ja muudes vähese valguse taseme rakendustes suure võimendusega footonidetektoritena.

Pingelangus laviinidioodides

Laviinidioodid on loodud laviiniefekti ära kasutama, mistõttu on neil purunemisel väike, kuid märgatav pingelang.

Zener-dioodid seevastu hoiavad pinget alati üle lagunemispunkti.

Enamikul laviinidioodidel on pingelangus 1–2 volti.

Temperatuuri koefitsient pinge

Zeneri dioodidel on väike negatiivne pinge temperatuuritegur, samas kui Avalanche dioodidel on väike positiivne pinge temperatuuritegur.

See tähendab, et temperatuuri tõustes tõuseb laviinidioodi pingelang veidi, Zeneri dioodi pingelangus aga temperatuuri tõustes.

Võrdlus teiste dioodidega

Enamikul Schottky dioodidel on pingelangus vahemikus 0,15 V kuni 0,45 V.

Ränidioodide päripinge on 0,7 V ja germaaniumdioodidel 0,3 V.

Kuna ränidioodi päripinge langus on peaaegu konstantne umbes 0,7 V, samas kui seda läbiv vool varieerub suhteliselt suurtes kogustes, saab konstantse pinge allikana kasutada päripingega ränidioodi.

Laviinidioodide kasutamise eelised ja puudused

Laviini dioodidel on tavaliste dioodide ees mitmeid eeliseid. Need kestavad kauem kui enamik dioode, mis muudab need teatud olukordades töökindlamaks.

Laviinidioodi pn-siirde eesmärk on vältida voolu kontsentratsiooni ja sellest tulenevaid kuumaid kohti, nii et dioodi ei kahjusta laviiniefekt.

Eelised

Laviinidioodid on kasulikud paljudes olukordades, näiteks ahelate kaitsmisel, müra tekitamisel ja footonite leidmisel.

Neil on suurem tundlikkus, kõrge jõudlus ja kiire reageerimisaeg, mis muudab need nendes rakendustes kasutamiseks ideaalseks.

Samuti võivad need kaitsta vooluahelaid pingete eest, mida seal ei tohiks olla, mistõttu on need elektroonilistes süsteemides kasulikud.

Puudused

Kuid laviinidioodide kasutamisel on mõned halvad asjad, millele peaksite mõtlema.

Nende hulka kuuluvad vajadus palju kõrgema tööpinge järele, laviiniprotsessist põhjustatud mittelineaarne väljund, palju kõrgem müratase ja vajadus suure vastupidise nihke järele.

Laviinidioodid ei pruugi samuti töötada nii hästi kui muud tüüpi dioodid, mis võib mõnes olukorras olla probleemiks.

Kuigi neil on need probleemid, kasutatakse laviinidioode teatud olukordades nende toimimise tõttu siiski laialdaselt.

Kuigi need ei pruugi olla nii töökindlad kui muud tüüpi dioodid, on need elektroonilistes süsteemides kasulikud, kuna need on tundlikud ja reageerivad kiiresti.

Erinevus laviinidioodi ja PIN-dioodi vahel

Laviindioodid ja PIN-dioodid on mõlemat tüüpi pooljuhtdioodid, kuid need töötavad väga erineval viisil.

Tööpinge

Tööpinge on nende kahe tüübi vahel suur erinevus.

Laviinidioodid on pandud töötama vastupidises rikkepiirkonnas, mis vajab normaalsest tööpiirkonnast kõrgemat pinget.

PIN-dioodid aga töötavad pärisuunalises piirkonnas, mis tavaliselt vajab vähem pinget.

Seega on parem öelda, et laviinidioodid vajavad laviini purunemispiirkonda jõudmiseks kõrgemat pinget, kui et nad vajavad kõrgemat tööpinget.

Müra

Oma tööviisi tõttu võivad laviinidioodid tekitada rohkem müra.

Kuid seda mürataset saab alandada, rakendades läbilöögipingele vastupidises suunas pinget.

PIN-dioode seevastu kasutatakse tavaliselt, kuna need tekitavad vähem müra, kuid olenevalt kasutusviisist võivad nad siiski tekitada mõningast müra.

Sisemine struktuur

Laviinidioodidel on sees koht, kus elektronid paljunevad, kui väljastpoolt rakendatakse vastupidist pinget.

See muudab sisemise võimenduse 10 kuni 100 korda suuremaks.

Teisest küljest on PIN-dioodidel sisemine piirkond, millel on suurem tühjenduspiirkond ja väiksem mahtuvus kui tavalisel pn-dioodil.

See tähendab, et PIN-dioodid on tundlikumad ja reageerivad kiiremini.

Nõuded pingele

Laviini dioodidel on vastupidine eelpinge, mis on palju suurem, räni puhul 100–200 volti.

PIN-diood seevastu töötab madalal pingel ja sobib hästi väikese võimsusega seadmetele.

Üldiselt on laviinidioodid ja PIN-dioodid valmistatud sarnaselt, kuid nende erinev tööviis tähendab, et neid kasutatakse erinevates olukordades.

Laviini dioode saab kasutada kõrge pingega ja optoelektroonilistes süsteemides saab neid kasutada suure võimendusega footonidetektoritena.

Teisest küljest on PIN-dioodid paremad väikese võimsusega ja kõrge sagedusega rakenduste jaoks, mis vajavad nii madalat müra kui ka suurt kiirust.

Madala müratasemega laviinidioodid

Laviinifotodioodid on madala müratasemega laviinidioodide (APD) õige nimetus.

APD-d on pooljuhtfotodiooddetektorid, mis kasutavad valguse elektriks muutmiseks fotoelektrilist efekti. Nad on väga tundlikud.

Nende kõrge signaali-müra suhe (SNR), kiire reageerimisaeg, madal tumevool ja kõrge tundlikkus on need, mis panevad need silma.

APD-de rakendused

APD-sid kasutatakse paljude erinevate asjade jaoks, näiteks:

• Laserkaugusmõõturid.
• Footonite korrelatsiooni uuringud.
• Süsteemid fiiberoptikaga suhtlemiseks.
• Lidar.
• PET-i ehk positronemissioontomograafia skannerid.

Madala müratasemega eellülitusahel

APD võimendust juhib pinge, mis suunatakse ristmikule vastupidises suunas. Võimenduse ühtlase ja madala mürataseme hoidmiseks tuleb seda pinget hoolikalt kontrollida.

Selleks saab APD-de eelpinge luua ja seda juhtida madala müratasemega eelpingeahelaga. See vooluahel kasutab fikseeritud sagedusega ja madala müraga PWM-võimendusmuundurit

Mikrokontroller, mis loeb termistorit, kompenseerib temperatuuri.

Liigne mürategur

Võrreldes PIN-fotodioodidega on APD-del rohkem müra, kuna laviiniprotsessi statistika põhjustab voolukõikumisi.

Liigne mürategur on viis arvutada, kui palju rohkem müra on APD-l kui piiratud müra detektor.

Laviini fotodioodid

Väga tundlik pooljuhtfotodiooddetektor, laviini fotodiood (APD) kasutab valguse elektriks muutmiseks fotoelektrilist efekti.

APD töötab suure pöördnihkega, mis laseb footoni või valguse tabamisel tekkivatel aukudel ja elektronidel laviinidena paljuneda.

See võimaldab fotodioodi võimendust mitu korda suurendada, andes sellele laia tundlikkuse vahemiku.

Kuidas laviini korrutamise protsess APD-des töötab

Laviiniprotsess algab siis, kui footon neeldub ja elektron või auk ioniseeritakse, kui nad midagi tabavad.

Elektriväli annab tekkivatele kandjatele piisavalt energiat, et tekitada löökionisatsiooni abil sekundaarseid kandjaid.

See protsess tekitab elektron-augu paaride tulva, mis annab tugevama signaali kui otsene neeldumine üksi.

APD võimendus on võrdne laviiniprotsessi käigus tekkinud elektronide ja aukude koguarvu suhtega seadme neeldunud footonite arvusse.

Eelised ja miinused

Laviinifotodioodi peamine eelis on see, et see on väga tundlik ja suudab vastu võtta madala taseme signaale.

APD on teistest pooljuhtfotodioodidest tundlikum ja seda saab kasutada kohtades, kus teised fotodioodid ei pruugi saavutada sama tundlikkuse taset.

Võrreldes teist tüüpi fotodioodidega reageerib APD ka kiiremini ja sellel on vähem voolu, kui seda ei kasutata.

APD-del on siiski probleeme.

• APD üks peamisi probleeme on see, et võrreldes teiste fotodioodidega vajab see töötamiseks kõrgemat pinget.
• Kandja korrutamise tõttu teevad APD-d ka rohkem müra, kui peaks.
• Õigete projekteerimistehnikate ja töötingimuste kasutamine võib müra vähendada.
• Lõpuks ei ole APD-l lineaarset väljundit, mis võib mõnes olukorras raskendada selle kasutamist.

Kasutusjuhtumid

Kasutatakse:	Kirjeldus:
Pingeregulaatorid	Laviini dioode saab kasutada pinge juhtimiseks elektroonikaahelates, pakkudes stabiilset võrdluspinget. Neid saab kasutada šundiregulaatorina, et hoida pinge konstantsena kogu vooluringis, või seeriaregulaatorina, et hoida väljundpinget stabiilsena isegi siis, kui sissetulev pinge muutub.
Impulsi generaatorid	Laviini dioode saab kasutada impulssgeneraatorites kõrgepinge lühikeste pursete tegemiseks. Kui tekib pingetõus, läheb diood laviini alla ja annab kiire tõusuajaga järsu impulsi. See on kasulik selliste asjade jaoks nagu radar, mis vajavad kõrge sagedusega impulsse.
Mikrolaineahjud	IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) ja TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) dioodid kasutavad laviinidioode. Need dioodid saadavad välja kõrgsageduslikke signaale mikrolainealas. Neid signaale kasutatakse radarisüsteemides, satelliitsidesüsteemides ja muudes kõrgsageduslikes rakendustes.
Ülepingekaitse	Laviini dioode saab kasutada liigpingekaitsetes, et kaitsta elektroonikaseadmeid pinge järskude ja mööduvate liigpingete eest. Need võivad pinget teatud tasemel kinnitada ja hoida seadet kõrgepinge poolt kahjustamise eest.
RF-võimendid	Raadiosagedusvõimendid (RF) võivad suure võimsusega RF-signaalide tekitamiseks kasutada laviinidioode. Sellisel juhul läheb diood laviini purunemise piirkonda, mis põhjustab voolu kiire tõusu ja tugeva RF signaali.
Röntgen- ja gammakiirguse detektorid	Laviini dioode saab kasutada meditsiinilises pildistamises ja muudes kohtades röntgen- ja gammakiirguse detektoritena. Suure energiaga footonid korjab üles diood, mis saadab välja vooluimpulsi, mille abil saab mõõta kiirguse energiat.

Muud kasutusalad:

https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode

Järeldus

Selle artikli lõpus on selge, et laviinidioodid on paljude elektrooniliste süsteemide olulised osad.

Nende valmistamise ja võime tõttu on need kasulikud tööriistad igale insenerile.

Kuid nagu igal teisel tehnoloogial, on laviinidioodide kasutamisel nii plusse kui ka miinuseid ning iga rakenduse puhul on oluline neid hoolikalt kaaluda.

Inseneridena otsime alati uusimat ja parimat tehnoloogiat, mis aitaks meil paremaid süsteeme kujundada.

Kuid oluline on ka hoida meeles pidada, et elektroonika põhitõed on olemas olnud pikka aega ja on tänapäeval sama olulised kui tol ajal.

Seega, olenemata sellest, kas olete kogenud insener või alles alustate, on oluline teada, kuidas laviinidioodid kaasaegses elektroonikas töötavad.

Seda tehes saate paremini kavandada süsteeme, mis töötavad hästi ja on teie rakenduste jaoks usaldusväärsed.

Kuigi tehnoloogia muutub, jäävad elektroonika põhireeglid samaks.