آشنایی با دیودهای بهمن: راهنمای مهندسین

به عنوان یک مهندس، می دانید که دیودها چقدر در نحوه کار مدارهای الکترونیکی اهمیت دارند.

اما آیا از دیود بهمن اطلاعی دارید؟ دیودهای بهمنی با دیودهای معمولی متفاوت هستند زیرا دارای ویژگی خاصی هستند که به آنها اجازه می دهد تعدادی از وظایف مختلف را در کاربردهای ولتاژ بالا انجام دهند.

پس دست و پنجه نرم کنید و آماده شوید تا به دنیای شگفت انگیز دیودهای بهمن شیرجه بزنید!

مقدمه ای بر دیود بهمنی

تعریف رسمی:

یک دیود شکست نیمه هادی که معمولاً از سیلیکون ساخته شده است، که در آن شکست بهمن در کل اتصال pn رخ می دهد و افت ولتاژ در آن صورت اساساً ثابت و مستقل از جریان است. دو نوع مهم دیودهای IMPATT و TRAPATT هستند.

دیود بهمنی نوعی دیود نیمه هادی است که برای شکستن در بهمن با ولتاژ معین ساخته می شود.

هنگامی که ولتاژ دو سوی دیود از مقدار معینی بالاتر می رود، خرابی بهمن اتفاق می افتد.

ساخت و ساز

دیود زنر و دیود بهمنی هر دو به یک روش ساخته می شوند، اما میزان دوپینگ در دیود بهمنی با دیود زنر متفاوت است.

محل اتصال یک دیود بهمن برای جلوگیری از تمرکز جریان و نقاط داغ ناشی از آن ساخته شده است تا اثر بهمنی به دیود آسیب نرساند.

اصل کار دیود بهمن

دیودهای بهمنی برای کار در ناحیه شکست معکوس ساخته شده اند، جایی که می توانند جریان زیادی را بدون آسیب رساندن حمل کنند.

اتصال pn یک دیود بهمن برای متوقف کردن تمرکز جریان و نقاط داغ ناشی از آن ساخته شده است تا اثر بهمنی به دیود آسیب نرساند.

هنگامی که یک ولتاژ بایاس معکوس به دیود بهمن اعمال می شود، به ولتاژ شکست می رسد و به منطقه شکست بهمن می رود، جایی که می تواند جریان زیادی را بدون آسیب رساندن حمل کند.

خرابی بهمن زمانی اتفاق می‌افتد که ولتاژ روی دیود بیشتر از مقدار معینی باشد که باعث افزایش سریع جریان می‌شود.

ضرب بهمن باعث ایجاد الکترون ها و یون های آزاد بیشتری می شود که باعث می شود مقدار زیادی جریان از دستگاه عبور کند.

انواع دیودهای بهمنی

دیود زنر

دیود زنر نوعی دیود است که اثر شکست زنر را زمانی که ولتاژ دو سر دیود از یک سطح معین بالاتر می رود نشان می دهد.

یک میدان الکتریکی بالا در سراسر دیود باعث ایجاد اثر شکست زنر می شود که نوعی شکست بهمن است.

دیود زنر بیشتر برای کنترل ولتاژ، محافظت در برابر نویزها و ایجاد صدا استفاده می شود.

فتودیود بهمن

دیود نوری بهمن نوعی دیود نیمه هادی است که برای کار در منطقه شکست بهمن ساخته شده است.

اغلب به عنوان یک آشکارساز فوتون با بهره بالا در کاربردهای کم نور مانند سیستم های ارتباطی فیبر نوری و دستگاه های تصویربرداری استفاده می شود.

وقتی فوتون ها توسط دیود وارد می شوند، جفت الکترون-حفره ایجاد می کنند

میدان الکتریکی زیاد در دیود می‌تواند این جفت‌های الکترون-حفره را سرعت بخشد و باعث سیل حامل‌های بار شود.

تفاوت بین Zener و Avalanche Breakdown

نحوه وقوع خرابی زنر و فروپاشی بهمن تفاوت اصلی بین این دو است.

شکست زنر زمانی اتفاق می افتد که یک میدان الکتریکی قوی در سراسر ناحیه تخلیه دیود وجود داشته باشد

شکست بهمن زمانی اتفاق می افتد که الکترون های آزاد به اتم های دیود برخورد کنند.

مقدار دوپینگ در یک دیود، ولتاژ شکست زنر را تعیین می کند، در حالی که عرض منطقه تخلیه، ولتاژ شکست بهمن را تعیین می کند.

ویدئو: دیودها! همه انواع آنها و نحوه کار آنها

نکته: در صورت نیاز دکمه زیرنویس را روشن کنید.

کاربردهای دیودهای بهمنی

دستگاه های حفاظتی و تنظیم کننده های ولتاژ

بیشتر اوقات، دیودهای بهمنی برای محافظت از قطعات حساس الکترونیکی در برابر آسیب دیدن توسط ولتاژ بالا یا افزایش جریان در مدارهای الکترونیکی استفاده می شود.

آنها همچنین می توانند برای کنترل ولتاژ در یک بار در مدارها استفاده شوند، جایی که آنها در منطقه شکست معکوس کار می کنند.

منابع نویز در مدارهای RF و مایکروویو

در مدارهای RF و مایکروویو، اغلب از دیودهای بهمنی به عنوان منبع نویز استفاده می شود.

در طی فرآیند شکست بهمن، الکترون ها و حفره ها به طور تصادفی ایجاد می شوند که نویز سفید ایجاد می کند

این باعث می شود آنها برای ارتباطات و جنگ الکترونیک مفید باشند.

دستگاه های سوئیچینگ پرسرعت در مدارهای دیجیتال

در مدارهای دیجیتال از دیودهای بهمنی به عنوان کلیدهای پرسرعت استفاده می شود که می توانند در مدت زمان بسیار کوتاهی به نام پیکو ثانیه روشن و خاموش شوند.

به همین دلیل، می توان از آنها برای مواردی مانند انتقال داده با سرعت بالا و پردازش سیگنال دیجیتال استفاده کرد.

آشکارسازهای فوتون با بهره بالا در سیستم های اپتوالکترونیکی

دیودهای نوری بهمنی (APDs) دستگاه های نیمه هادی هستند که برای کار در منطقه شکست بهمن زمانی که فوتون ها توسط دیود جذب می شوند ساخته می شوند.

APD ها در سیستم های ارتباطی فیبر نوری، سیستم های محدوده لیزری و دیگر کاربردهای سطح نور کم به عنوان آشکارسازهای فوتون با بهره بالا استفاده می شوند.

افت ولتاژ در دیودهای بهمنی

دیودهای بهمنی به گونه ای طراحی شده اند که از اثر بهمن بهره ببرند، بنابراین در هنگام خرابی افت ولتاژ کوچک اما محسوسی دارند.

از سوی دیگر، دیودهای زنر، ولتاژ را همیشه بالاتر از نقطه ای که در آن خراب می شوند، نگه می دارند.

اکثر دیودهای بهمنی افت ولتاژی بین 1 تا 2 ولت دارند.

ضریب دمای ولتاژ

دیودهای زنر دارای ضریب ولتاژ دمای کوچکی هستند که منفی است، در حالی که دیودهای بهمنی دارای ضریب ولتاژ دمای کوچکی هستند که مثبت است.

این بدان معناست که با بالا رفتن دما، افت ولتاژ در دیود بهمن کمی افزایش می‌یابد، در حالی که افت ولتاژ در دیود زنر با بالا رفتن دما کاهش می‌یابد.

مقایسه با دیودهای دیگر

اکثر دیودهای شاتکی دارای افت ولتاژ بین 0.15 ولت و 0.45 ولت هستند.

ولتاژ جلو برای دیودهای سیلیکون 0.7 ولت و برای دیودهای ژرمانیوم 0.3 ولت است.

از آنجایی که افت ولتاژ رو به جلو در یک دیود سیلیکونی تقریباً در حدود 0.7 ولت ثابت است، در حالی که جریان عبوری از آن با مقادیر نسبتاً زیادی تغییر می کند، یک دیود سیلیکونی بایاس رو به جلو می تواند به عنوان منبع ولتاژ ثابت استفاده شود.

مزایا و معایب استفاده از دیودهای بهمنی

دیودهای بهمنی مزایای متعددی نسبت به دیودهای معمولی دارند. آنها نسبت به اکثر دیودها دوام بیشتری دارند، که باعث می شود در شرایط خاص مورد استفاده قرار گیرند.

اتصال pn یک دیود بهمن برای جلوگیری از تمرکز جریان و نقاط داغ ناشی از آن طراحی شده است تا دیود در اثر اثر بهمن آسیبی نبیند.

مزایا

دیودهای بهمنی در تعدادی از موقعیت ها مانند محافظت از مدارها، ایجاد نویز و یافتن فوتون ها مفید هستند.

آنها سطح بالاتری از حساسیت، عملکرد بالا و زمان پاسخ سریع را از خود نشان می دهند که آنها را برای استفاده در این برنامه ها ایده آل می کند.

آنها همچنین می توانند مدارها را از ولتاژهایی که نباید وجود داشته باشند محافظت می کنند، که آنها را در سیستم های الکترونیکی مفید می کند.

معایب

اما موارد بدی در مورد استفاده از دیودهای بهمنی وجود دارد که باید به آنها فکر کنید.

اینها شامل نیاز به ولتاژ عملیاتی بسیار بالاتر، خروجی غیر خطی ناشی از فرآیند بهمن، سطح بسیار بالاتر نویز و نیاز به بایاس معکوس بالا برای کار است.

دیودهای بهمنی نیز ممکن است مانند سایر انواع دیودها کار نکنند که در برخی شرایط می تواند مشکل ساز باشد.

حتی با وجود این مشکلات، دیودهای بهمنی به دلیل نحوه عملکردشان هنوز در شرایط خاص به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.

اگرچه ممکن است به اندازه سایر انواع دیودها قابل اعتماد نباشند، اما در سیستم های الکترونیکی مفید هستند زیرا حساس هستند و به سرعت پاسخ می دهند.

تفاوت بین دیود بهمنی و دیود پین

دیودهای بهمنی و دیودهای پین هر دو نوع دیودهای نیمه هادی هستند، اما به روش های بسیار متفاوتی کار می کنند.

ولتاژ بهره برداری

ولتاژ جریان یک تفاوت بزرگ بین این دو نوع است.

دیودهای بهمنی برای کار در ناحیه شکست معکوس ساخته می شوند که به ولتاژ بالاتری نسبت به منطقه عملیاتی معمولی نیاز دارد.

از طرف دیگر، دیودهای پین در ناحیه بایاس رو به جلو کار می کنند که معمولاً به ولتاژ کمتری نیاز دارد.

بنابراین، بهتر است بگوییم که دیودهای بهمنی برای رسیدن به منطقه شکست بهمن به ولتاژ بالاتری نیاز دارند تا اینکه به ولتاژ عملیاتی بالاتری نیاز دارند.

سر و صدا

به دلیل نحوه کارشان، دیودهای بهمنی می توانند سر و صدای بیشتری ایجاد کنند.

اما این سطح نویز را می توان با اعمال یک ولتاژ در جهت مخالف ولتاژ شکست کاهش داد.

از طرف دیگر، معمولاً از دیودهای پین استفاده می شود زیرا صدای کمتری تولید می کنند، اما همچنان بسته به نحوه استفاده از آنها می توانند نویز ایجاد کنند.

ساختار داخلی

دیودهای بهمنی مکانی در داخل دارند که وقتی ولتاژ معکوس از بیرون اعمال می شود، الکترون ها در آن ضرب می شوند.

این باعث می شود تقویت داخلی بین 10 تا 100 برابر بزرگتر شود.

از سوی دیگر، دیودهای پین دارای یک ناحیه ذاتی هستند که دارای ناحیه تخلیه بزرگتر و ظرفیت کمتری نسبت به دیودهای pn استاندارد است.

این بدان معنی است که دیودهای پین حساس تر هستند و سریعتر پاسخ می دهند.

ولتاژ مورد نیاز

دیودهای بهمنی دارای ولتاژ بایاس معکوس هستند که بسیار بالاتر است، بین 100 تا 200 ولت برای سیلیکون.

از طرف دیگر، دیود پین با ولتاژ پایین کار می کند و برای دستگاه های کم مصرف مناسب است.

به طور کلی، دیودهای بهمنی و دیودهای پین به روش‌های مشابهی ساخته می‌شوند، اما روش‌های متفاوت کار آن‌ها به این معنی است که در موقعیت‌های مختلف استفاده می‌شوند.

دیودهای بهمنی را می توان با ولتاژهای بالا و در سیستم های اپتوالکترونیکی به عنوان آشکارساز فوتون با بهره بالا استفاده کرد.

از سوی دیگر، دیودهای پین برای کاربردهای کم مصرف و فرکانس بالا که هم به نویز کم و هم به سرعت بالا نیاز دارند، بهتر هستند.

دیودهای کم صدا بهمن

فتودیودهای بهمنی نام صحیح دیودهای بهمنی کم نویز (APD) هستند.

APD ها آشکارسازهای فوتودیود نیمه هادی هستند که از اثر فوتوالکتریک برای تبدیل نور به الکتریسیته استفاده می کنند. آنها بسیار حساس هستند.

نسبت سیگنال به نویز بالا (SNR)، پاسخ سریع در زمان، جریان تاریک کم و حساسیت بالا آن‌ها را متمایز می‌کند.

کاربردهای APDs

APD ها برای موارد مختلفی استفاده می شوند، مانند:

• برد یاب لیزری
• مطالعات همبستگی فوتون.
• سیستم های ارتباطی با فیبر نوری
• لیدار.
• اسکنرهای PET یا توموگرافی گسیل پوزیترون.

مدار بایاس کم نویز

بهره یک APD توسط ولتاژی که در جهت مخالف در سراسر اتصال قرار می گیرد کنترل می شود. برای ثابت نگه داشتن گین و پایین نگه داشتن سطح نویز، این ولتاژ باید به دقت کنترل شود.

برای انجام این کار، ولتاژ بایاس برای APD ها می تواند توسط یک مدار بایاس کم نویز ساخته و کنترل شود. این مدار از مبدل بوست PWM با فرکانس ثابت و نویز کم استفاده می کند

میکروکنترلری که ترمیستور را می خواند، دما را جبران می کند.

ضریب نویز بیش از حد

در مقایسه با دیودهای نوری PIN، APD ها نویز بیشتری دارند زیرا آمار فرآیند بهمن باعث نوسانات جریان می شود.

ضریب نویز اضافی روشی برای محاسبه میزان نویز یک APD بیشتر از یک آشکارساز محدود نویز شات است.

فتودیودهای بهمنی

یک آشکارساز دیود نوری نیمه هادی بسیار حساس، یک فتودیود بهمنی (APD) از اثر فوتوالکتریک برای تبدیل نور به الکتریسیته استفاده می کند.

APD با بایاس معکوس بالا کار می کند، که به حفره ها و الکترون های ایجاد شده در هنگام برخورد فوتون یا نور به آن اجازه می دهد مانند بهمن تکثیر شوند.

این باعث می شود که بهره فتودیود چندین بار افزایش یابد و طیف وسیعی از حساسیت به آن بدهد.

فرآیند ضرب بهمن چگونه در APD ها کار می کند

فرآیند بهمن زمانی شروع می شود که یک فوتون جذب می شود و یک الکترون یا حفره با برخورد به چیزی یونیزه می شود.

میدان الکتریکی به حامل های حاصل انرژی کافی می دهد تا از طریق یونیزاسیون ضربه ای حامل های ثانویه بسازند.

این فرآیند باعث ایجاد سیل جفت الکترون-حفره می شود که سیگنال قوی تری نسبت به جذب مستقیم به تنهایی می دهد.

بهره APD برابر است با نسبت تعداد کل الکترون ها و حفره های ایجاد شده توسط فرآیند بهمن به تعداد فوتون های جذب شده توسط دستگاه.

مزایا و معایب

مزیت اصلی فتودیود بهمنی این است که بسیار حساس است و می تواند سیگنال های سطح پایین را دریافت کند.

APD نسبت به سایر فتودیودهای نیمه هادی حساس تر است و می تواند در مکان هایی استفاده شود که ممکن است سایر فوتودیودها نتوانند به همان سطح حساسیت برسند.

در مقایسه با انواع دیگر فتودیودها، APD نیز در صورت عدم استفاده سریعتر پاسخ می دهد و جریان کمتری دارد.

اگرچه APD ها مشکلاتی دارند.

• یکی از مشکلات اصلی APD این است که در مقایسه با سایر فتودیودها، برای کار کردن به ولتاژ بالاتری نیاز دارد.
• به دلیل ضرب حامل ها، APD ها نیز صدای بیشتری از آنچه که باید ایجاد می کنند.
• استفاده از تکنیک های طراحی مناسب و شرایط عملیاتی می تواند نویز را کاهش دهد.
• در نهایت، یک APD خروجی خطی ندارد، که می تواند استفاده از آن را در برخی شرایط سخت تر کند.

موارد استفاده کنید

مورد استفاده در:	شرح:
رگولاتورهای ولتاژ	از دیودهای بهمنی می توان برای کنترل ولتاژ در مدارهای الکترونیکی با ارائه ولتاژ مرجع پایدار استفاده کرد. آنها می توانند به عنوان یک تنظیم کننده شنت برای ثابت نگه داشتن ولتاژ در سراسر مدار یا به عنوان یک تنظیم کننده سری برای ثابت نگه داشتن ولتاژ خروجی حتی در صورت تغییر ولتاژ استفاده شوند.
ژنراتورهای پالس	از دیودهای بهمنی می توان برای ایجاد انفجارهای کوتاه ولتاژ بالا در ژنراتورهای پالس استفاده کرد. هنگامی که یک افزایش ولتاژ اتفاق می افتد، دیود دچار شکست بهمنی می شود و یک پالس تند با زمان افزایش سریع ایجاد می کند. این برای چیزهایی مانند رادار که به پالس هایی با فرکانس بالا نیاز دارند مفید است.
دستگاه های مایکروویو	دیودهای IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) و TRAPATT (Trapped Plasma Avalanche Triggered Transit) از دیودهای بهمنی استفاده می کنند. این دیودها سیگنال های فرکانس بالا را در محدوده مایکروویو ارسال می کنند.
حفاظت از موج	دیودهای بهمنی را می توان در محافظ های برق برای محافظت از دستگاه های الکترونیکی در برابر افزایش ولتاژ و اضافه ولتاژهای گذرا استفاده کرد. آنها می توانند ولتاژ را در یک سطح معین بسته کنند و از آسیب دیدن دستگاه در اثر ولتاژ بالا جلوگیری کنند.
تقویت کننده های RF	تقویت‌کننده‌های فرکانس رادیویی (RF) می‌توانند از دیودهای بهمنی برای تولید سیگنال‌های RF با قدرت بالا استفاده کنند. در این حالت، دیود به منطقه شکست بهمن می رود که باعث می شود جریان به سرعت بالا برود و سیگنال RF قوی ایجاد کند.
آشکارسازهای اشعه ایکس و گاما	دیودهای بهمنی را می توان در تصویربرداری پزشکی و مکان های دیگر به عنوان آشکارساز اشعه ایکس و اشعه گاما استفاده کرد. فوتون‌هایی که انرژی زیادی دارند توسط دیود گرفته می‌شوند، که پالس جریانی را می‌فرستد که می‌تواند برای اندازه‌گیری انرژی تابش استفاده شود.

استفاده های دیگر:

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

نتیجه

همانطور که این مقاله به پایان می رسد، واضح است که دیودهای بهمنی بخش مهمی از بسیاری از سیستم های الکترونیکی هستند.

به دلیل نحوه ساخت و کارهایی که می توانند انجام دهند، ابزار مفیدی برای هر مهندس هستند.

اما، مانند هر فناوری دیگری، استفاده از دیودهای بهمنی هم مزایا و هم معایب دارد، و مهم است که در هر کاربرد به دقت وزن شود.

به عنوان مهندس، ما همیشه به دنبال جدیدترین و بهترین فناوری هستیم تا به ما در طراحی سیستم های بهتر کمک کند.

اما حفظ آن نیز مهم است در نظر داشته باشید که اصول اولیه الکترونیک برای مدت طولانی وجود داشته است و امروزه نیز مانند آن زمان مهم است.

بنابراین، چه یک مهندس با تجربه هستید یا تازه شروع به کار کرده اید، مهم است که بدانید دیودهای بهمنی در الکترونیک مدرن چگونه کار می کنند.

با انجام این کار، بهتر می توانید سیستم هایی طراحی کنید که به خوبی کار می کنند و برای برنامه های شما قابل اعتماد هستند.

حتی با وجود تغییر تکنولوژی، قوانین اساسی الکترونیک ثابت می ماند.