Pag-Unawa Sa Avalanche Diodes: Isang Gabay Para Sa Mga Inhinyero

Bilang isang inhinyero, alam mo kung gaano kahalaga ang mga diode sa paraan ng paggana ng mga electronic circuit.

Ngunit alam mo ba ang tungkol sa avalanche diode? Ang mga avalanche diode ay naiiba sa mga regular na diode dahil mayroon silang isang espesyal na tampok na nagbibigay-daan sa kanila na gawin ang ilang iba't ibang mga gawain sa mga high voltage na application.

Kaya buckle up at maghanda upang sumisid sa kamangha-manghang mundo ng avalanche diodes!

Panimula sa Avalanche Diode

Pormal na kahulugan:

Ang isang semiconductor breakdown diode, kadalasang gawa sa silikon, kung saan ang avalanche breakdown ay nangyayari sa buong pn junction at boltahe drop ay pagkatapos ay mahalagang pare-pareho at independiyenteng ng kasalukuyang; ang dalawang pinakamahalagang uri ay IMPATT at TRPATT diodes.

Ang avalanche diode ay isang uri ng semiconductor diode na ginawa upang masira sa isang avalanche sa isang tiyak na boltahe.

Kapag ang boltahe sa isang diode ay lumampas sa isang tiyak na halaga, ang avalanche breakdown ay nangyayari.

Konstruksyon

Ang isang Zener diode at isang avalanche diode ay parehong ginawa sa parehong paraan, ngunit ang dami ng doping sa isang avalanche diode ay iba mula sa isang Zener diode.

Ang junction ng isang avalanche diode ay ginawa upang ihinto ang kasalukuyang konsentrasyon at ang mga hot spot na nagmumula dito, upang ang epekto ng avalanche ay hindi makapinsala sa diode.

Prinsipyo ng Paggawa ng Avalanche Diode

Ang mga avalanche diode ay ginawa upang gumana sa reverse breakdown region, kung saan maaari silang magdala ng malaking agos nang hindi nasira.

Ang pn junction ng isang avalanche diode ay ginawa upang ihinto ang kasalukuyang konsentrasyon at ang mga hot spot na nagmumula dito, upang ang epekto ng avalanche ay hindi makapinsala sa diode.

Kapag ang isang reverse bias boltahe ay inilapat sa avalanche diode, ito ay umabot sa breakdown boltahe at napupunta sa avalanche breakdown rehiyon, kung saan maaari itong magdala ng isang malaking kasalukuyang nang hindi nasira.

Ang pagkasira ng avalanche ay nangyayari kapag ang boltahe sa kabuuan ng diode ay mas mataas kaysa sa isang tiyak na halaga, na ginagawang mabilis ang pagtaas ng kasalukuyang.

Ang pagpaparami ng avalanche ay gumagawa ng mas maraming libreng electron at ions, na nagiging sanhi ng malaking dami ng kasalukuyang dumaloy sa device.

Mga Uri ng Avalanche Diodes

Zener diode

Ang Zener diode ay isang uri ng diode na nagpapakita ng Zener breakdown effect kapag ang boltahe sa kabuuan ng diode ay lumampas sa isang tiyak na antas.

Ang isang mataas na electric field sa kabuuan ng diode ay nagdudulot ng Zener breakdown effect, na isang uri ng avalanche breakdown.

Ang Zener diode ay kadalasang ginagamit upang kontrolin ang boltahe, protektahan laban sa mga surge, at gumawa ng ingay.

Avalanche Photodiode

Ang avalanche photodiode ay isang uri ng semiconductor diode na ginawa upang gumana sa rehiyon ng pagkasira ng avalanche.

Madalas itong ginagamit bilang isang high-gain na photon detector sa mga low-light na application tulad ng fiber optic na mga sistema ng komunikasyon at mga imaging device.

Kapag ang mga photon ay kinuha sa pamamagitan ng diode, lumikha sila ng mga pares ng electron-hole

Ang mataas na electric field sa diode ay maaaring pabilisin ang mga pares ng electron-hole na ito, na nagiging sanhi ng pagbaha ng mga carrier ng singil.

Pagkakaiba sa pagitan ng Zener at Avalanche Breakdown

Ang paraan kung saan nangyayari ang Zener breakdown at avalanche breakdown ay ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng dalawa.

Nangyayari ang pagkasira ng Zener kapag may malakas na patlang ng kuryente sa buong rehiyon ng pagkaubos ng diode

Ang pagkasira ng avalanche ay nangyayari kapag ang mga libreng electron ay tumama sa mga atomo sa diode.

Ang halaga ng doping sa isang diode ay tumutukoy sa boltahe ng breakdown ng Zener, habang ang lapad ng rehiyon ng pag-ubos ay tumutukoy sa boltahe ng pagkasira ng avalanche.

Video: DIODES! Lahat ng Uri ng mga Ito at Paano Sila Gumagana

Tip: I-on ang caption button kung kailangan mo ito.

Mga aplikasyon ng Avalanche Diodes

Mga Device na Proteksyon at Voltage Regulator

Kadalasan, ang mga avalanche diode ay ginagamit upang protektahan ang mga sensitibong bahagi ng elektroniko mula sa pagkasira ng mataas na boltahe o kasalukuyang surge sa mga electronic circuit.

Magagamit din ang mga ito upang kontrolin ang boltahe sa isang load sa mga circuit, kung saan gumagana ang mga ito sa reverse breakdown region.

Mga Pinagmumulan ng Ingay sa RF at Microwave Circuits

Sa RF at microwave circuit, ang mga avalanche diode ay kadalasang ginagamit bilang mga pinagmumulan ng ingay.

Sa panahon ng proseso ng pagkasira ng avalanche, ang mga electron at butas ay ginagawa nang random, na gumagawa ng puting ingay

Ginagawa nitong kapaki-pakinabang ang mga ito para sa komunikasyon at elektronikong pakikidigma.

Mga High-Speed ​​Switching Device sa Digital Circuits

Sa mga digital na circuit, ang mga avalanche diode ay ginagamit bilang mga high-speed switch na maaaring mag-on at mag-off sa napakaikling panahon, na tinatawag na picosecond.

Dahil dito, magagamit ang mga ito para sa mga bagay tulad ng high-speed data transfer at digital signal processing.

High-Gain Photon Detector sa Optoelectronic Systems

Ang Avalanche photodiodes (APDs) ay mga semiconductor device na ginawa upang gumana sa rehiyon ng pagkasira ng avalanche kapag ang mga photon ay na-absorb ng diode.

Ang mga APD ay ginagamit sa fiber-optic na mga sistema ng komunikasyon, laser ranging system, at iba pang low-light-level na mga application bilang high-gain photon detector.

Pagbaba ng Boltahe sa Avalanche Diodes

Ang mga avalanche diode ay idinisenyo upang samantalahin ang epekto ng avalanche, kaya mayroon silang maliit ngunit kapansin-pansing pagbaba ng boltahe kapag nasira ang mga ito.

Ang Zener diodes, sa kabilang banda, ay palaging panatilihin ang boltahe sa itaas ng punto kung saan sila nasira.

Karamihan sa mga avalanche diode ay may pagbaba ng boltahe sa pagitan ng 1 at 2 volts.

Temperature Coefficient ng Boltahe

Ang Zener diodes ay may maliit na temperatura coefficient ng boltahe na negatibo, habang ang Avalanche diodes ay may maliit na temperatura coefficient ng boltahe na positibo.

Nangangahulugan ito na habang tumataas ang temperatura, ang pagbaba ng boltahe sa isang avalanche diode ay tataas nang bahagya, habang ang pagbaba ng boltahe sa isang Zener diode ay bababa habang tumataas ang temperatura.

Paghahambing sa Iba Pang Diodes

Karamihan sa mga Schottky diode ay may pagbaba ng boltahe sa pagitan ng 0.15V at 0.45V.

Ang pasulong na boltahe para sa Silicon Diodes ay 0.7V, at para sa Germanium Diodes ito ay 0.3V.

Habang ang pasulong na boltahe ay bumababa sa isang silicon diode ay halos pare-pareho sa humigit-kumulang 0.7v, habang ang kasalukuyang dumaraan dito ay nag-iiba sa medyo malalaking halaga, ang isang forward-biased na silicon diode ay maaaring gamitin bilang isang patuloy na pinagmumulan ng boltahe.

Mga Bentahe at Disadvantages ng Paggamit ng Avalanche Diodes

Ang mga avalanche diode ay may ilang mga pakinabang sa mga normal na diode. Mas matagal ang mga ito kaysa sa karamihan ng mga diode, na ginagawang mas maaasahan ang mga ito kapag ginamit sa ilang partikular na sitwasyon.

Ang pn junction ng isang avalanche diode ay idinisenyo upang maiwasan ang kasalukuyang konsentrasyon at nagreresultang mga hot spot upang ang diode ay hindi masira ng epekto ng avalanche.

Ang mga pakinabang

Ang mga avalanche diode ay kapaki-pakinabang sa maraming sitwasyon, tulad ng pagprotekta sa mga circuit, paggawa ng ingay, at paghahanap ng mga photon.

Nagpapakita sila ng mas mataas na antas ng sensitivity, mataas na pagganap, at mabilis na oras ng pagtugon, na ginagawang perpekto ang mga ito para magamit sa mga application na ito.

Maaari din nilang protektahan ang mga circuit mula sa mga boltahe na hindi dapat naroroon, na ginagawang kapaki-pakinabang ang mga ito sa mga electronic system.

Ang mga disadvantages

Ngunit may ilang masamang bagay tungkol sa paggamit ng avalanche diodes na dapat mong isipin.

Kabilang dito ang pangangailangan para sa isang mas mataas na operating boltahe, isang non-linear na output na dulot ng proseso ng avalanche, isang mas mataas na antas ng ingay, at ang pangangailangan para sa isang mataas na reverse bias upang gumana.

Maaaring hindi rin gumana ang avalanche diodes gaya ng ibang mga uri ng diode, na maaaring maging problema sa ilang sitwasyon.

Kahit na mayroon silang mga problemang ito, ang mga avalanche diode ay malawak na ginagamit sa ilang mga sitwasyon dahil sa kung paano gumagana ang mga ito.

Kahit na ang mga ito ay maaaring hindi kasing maaasahan ng iba pang mga uri ng diode, ang mga ito ay kapaki-pakinabang sa mga electronic system dahil sila ay sensitibo at mabilis na tumugon.

Pagkakaiba sa pagitan ng Avalanche Diode at PIN Diode

Ang avalanche diodes at PIN diodes ay parehong uri ng semiconductor diodes, ngunit gumagana ang mga ito sa ibang paraan.

Operating Boltahe

Ang tumatakbong boltahe ay isang malaking pagkakaiba sa pagitan ng dalawang uri.

Ang mga avalanche diode ay ginawa upang gumana sa reverse breakdown region, na nangangailangan ng mas mataas na boltahe kaysa sa normal na operating region.

Ang mga PIN diode, sa kabilang banda, ay gumagana sa forward-biased na rehiyon, na karaniwang nangangailangan ng mas kaunting boltahe.

Kaya, mas mainam na sabihin na ang mga avalanche diode ay nangangailangan ng mas mataas na boltahe upang maabot ang rehiyon ng pagkasira ng avalanche kaysa sa kailangan nila ng mas mataas na operating boltahe.

ingay

Dahil sa kung paano gumagana ang mga ito, ang mga avalanche diode ay maaaring gumawa ng mas maraming ingay.

Ngunit ang antas ng ingay na ito ay maaaring mapababa sa pamamagitan ng paglalagay ng boltahe sa kabaligtaran ng direksyon ng breakdown na boltahe.

Ang mga PIN diode, sa kabilang banda, ay kadalasang ginagamit dahil ang mga ito ay gumagawa ng mas kaunting ingay, ngunit maaari pa rin silang gumawa ng ilang ingay depende sa kung paano sila ginagamit.

Panloob na Istruktura

Ang mga avalanche diode ay may isang lugar sa loob kung saan ang mga electron ay dumarami kapag ang isang reverse boltahe ay inilapat mula sa labas.

Ginagawa nitong mas malaki ang internal amplification sa pagitan ng 10 at 100 beses.

Sa kabilang banda, ang mga PIN diode ay may isang intrinsic na rehiyon na may mas malaking rehiyon ng pagkaubos at mas kaunting kapasidad kaysa sa isang karaniwang pn diode.

Nangangahulugan ito na ang mga PIN diode ay mas sensitibo at mas mabilis na tumugon.

Mga Kinakailangan sa Boltahe

Ang mga avalanche diode ay may reverse bias na boltahe na mas mataas, sa pagitan ng 100 at 200 volts para sa silikon.

Ang PIN diode, sa kabilang banda, ay gumagana sa isang mababang boltahe at ito ay mabuti para sa mga aparatong mababa ang kapangyarihan.

Sa pangkalahatan, ang mga avalanche diode at PIN diode ay ginawa sa magkatulad na paraan, ngunit ang kanilang magkaibang paraan ng pagtatrabaho ay nangangahulugan na ang mga ito ay ginagamit sa iba't ibang sitwasyon.

Maaaring gamitin ang mga avalanche diode na may matataas na boltahe, at sa mga optoelectronic system, maaari silang magamit bilang mga high-gain na photon detector.

Sa kabilang banda, ang mga PIN diode ay mas mahusay para sa mga low-power, high-frequency na application na nangangailangan ng parehong mababang ingay at mataas na bilis.

Mababang Ingay Avalanche Diodes

Ang avalanche photodiodes ay ang tamang pangalan para sa mga low-noise avalanche diodes (APD).

Ang mga APD ay mga semiconductor photodiode detector na gumagamit ng photoelectric effect upang gawing kuryente ang liwanag. Napaka-sensitive nila.

Ang kanilang mataas na signal-to-noise ratio (SNR), mabilis na pagtugon sa oras, mababang dark current, at mataas na sensitivity ang dahilan kung bakit sila namumukod-tangi.

Mga aplikasyon ng APD

Ang mga APD ay ginagamit para sa maraming iba't ibang bagay, tulad ng:

• Laser range finder.
• Pag-aaral ng photon correlation.
• Mga sistema para sa pakikipag-usap sa fiber optics.
• Lidar.
• Mga scanner para sa PET, o positron emission tomography.

Mababang Ingay Bias Circuit

Ang nakuha ng isang APD ay kinokontrol ng boltahe na inilalagay sa junction sa kabaligtaran na direksyon. Upang mapanatiling matatag ang nakuha at mababa ang antas ng ingay, kailangang maingat na kontrolin ang boltahe na ito.

Upang gawin ito, ang bias na boltahe para sa mga APD ay maaaring gawin at kontrolin ng isang low-noise bias circuit. Gumagamit ang circuit na ito ng PWM boost converter na may nakapirming frequency at mababang ingay

Ang isang microcontroller na nagbabasa ng isang thermistor ay nagbabayad para sa temperatura.

Sobrang Ingay na Salik

Kung ikukumpara sa mga photodiode ng PIN, ang mga APD ay may mas maraming ingay dahil ang mga istatistika ng proseso ng avalanche ay nagdudulot ng mga kasalukuyang pagbabago.

Ang sobrang ingay na kadahilanan ay isang paraan upang makalkula kung gaano karami ang ingay ng isang APD kaysa sa isang shot noise limited detector.

Avalanche Photodiodes

Isang napakasensitibong semiconductor photodiode detector, isang avalanche photodiode (APD) ay gumagamit ng photoelectric effect upang gawing kuryente ang liwanag.

Gumagana ang APD na may mataas na reverse bias, na nagbibigay-daan sa mga butas at electron na ginawa kapag natamaan ito ng photon o ilaw na dumami tulad ng mga avalanch.

Ginagawa nitong posible na palakasin ang nakuha ng photodiode nang maraming beses, na nagbibigay ito ng malawak na hanay ng sensitivity.

Paano gumagana ang proseso ng pagpaparami ng avalanche sa mga APD

Ang proseso ng avalanche ay nagsisimula kapag ang isang photon ay nasisipsip at ang isang electron o isang butas ay na-ionize kapag sila ay tumama sa isang bagay.

Ang electric field ay nagbibigay sa mga nagreresultang carrier ng sapat na enerhiya upang makagawa ng pangalawang carrier sa pamamagitan ng impact ionization.

Ang prosesong ito ay gumagawa ng baha ng mga pares ng electron-hole, na nagbibigay ng mas malakas na signal kaysa sa direktang pagsipsip lamang.

Ang nakuha ng APD ay katumbas ng ratio ng kabuuang bilang ng mga electron at butas na ginawa ng proseso ng avalanche sa bilang ng mga photon na nasisipsip ng device.

Mga Kalamangan at Kahinaan

Ang pangunahing benepisyo ng isang avalanche photodiode ay ang pagiging sensitibo nito at nakakakuha ng mga signal na mababa ang antas.

Ang APD ay mas sensitibo kaysa sa iba pang semiconductor photodiodes at maaaring gamitin sa mga lugar kung saan ang ibang mga photodiode ay maaaring hindi maabot ang parehong antas ng sensitivity.

Kung ikukumpara sa iba pang mga uri ng photodiodes, ang APD ay tumutugon din nang mas mabilis at may mas kaunting kasalukuyang daloy kapag hindi ito ginagamit.

Ang mga APD ay may ilang mga problema, bagaman.

• Ang isa sa mga pangunahing problema sa isang APD ay, kumpara sa iba pang mga photodiode, kailangan nito ng mas mataas na boltahe upang gumana.
• Dahil sa pagpaparami ng carrier, ang mga APD ay gumagawa din ng mas maraming ingay kaysa sa nararapat.
• Ang paggamit ng tamang mga diskarte sa disenyo at mga kondisyon sa pagpapatakbo ay maaaring mabawasan ang ingay.
• Panghuli, ang isang APD ay walang linear na output, na maaaring gawing mas mahirap gamitin sa ilang sitwasyon.

Mga kaso ng paggamit

Ginamit sa:	Paglalarawan:
Mga Regulator ng Boltahe	Maaaring gamitin ang avalanche diodes upang kontrolin ang boltahe sa mga electronic circuit sa pamamagitan ng pagbibigay ng isang matatag na boltahe ng sanggunian. Magagamit ang mga ito bilang shunt regulator upang panatilihing pare-pareho ang boltahe sa buong circuit o bilang isang regulator ng serye upang mapanatiling stable ang boltahe ng output kahit na nagbabago ang boltahe.
Mga Pulse Generator	Maaaring gamitin ang mga avalanche diode upang gumawa ng mga maikling pagsabog ng mataas na boltahe sa mga generator ng pulso. Kapag nagkaroon ng boltahe spike, ang diode ay napupunta sa avalanche breakdown at gumagawa ng matalim na pulso na may mabilis na pagtaas ng oras. Ito ay kapaki-pakinabang para sa mga bagay tulad ng radar, na nangangailangan ng mga pulso na may mataas na frequency.
Mga Device sa Microwave	Gumagamit ang mga diode ng IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) at TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) na mga diode ng avalanche. Ang mga diode na ito ay nagpapadala ng mga high-frequency na signal sa hanay ng microwave Ang mga signal na ito ay ginagamit sa mga radar system, satellite communication system, at iba pang high-frequency na application.
Proteksyon ng Surge	Maaaring gamitin ang mga avalanche diode sa mga surge protector upang protektahan ang mga elektronikong aparato mula sa mga spike ng boltahe at lumilipas na overvoltage. Maaari nilang i-clamp ang boltahe sa isang tiyak na antas at panatilihin ang aparato mula sa pagkasira ng mataas na boltahe.
Mga RF Amplifier	Ang mga radio frequency (RF) amplifier ay maaaring gumamit ng avalanche diodes upang makagawa ng mga high-power na RF signal. Sa kasong ito, ang diode ay napupunta sa rehiyon ng pagkasira ng avalanche, na nagiging sanhi ng mabilis na pagtaas ng kasalukuyang at gumawa ng isang malakas na signal ng RF.
X-ray at Gamma Ray Detector	Maaaring gamitin ang avalanche diodes sa medical imaging at iba pang mga lugar bilang X-ray at gamma ray detector. Ang mga photon na may maraming enerhiya ay kinuha ng diode, na nagpapadala ng isang pulso ng kasalukuyang na maaaring magamit upang masukat ang enerhiya ng radiation.

Iba pang gamit:

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

Konklusyon

Sa pagtatapos ng artikulong ito, malinaw na ang mga avalanche diode ay mahalagang bahagi ng maraming elektronikong sistema.

Dahil sa kung paano ginawa ang mga ito at kung ano ang magagawa nila, ang mga ito ay kapaki-pakinabang na tool para sa sinumang inhinyero.

Ngunit, tulad ng anumang iba pang teknolohiya, ang paggamit ng avalanche diodes ay may parehong kalamangan at kahinaan, at mahalagang timbangin nang mabuti ang mga ito sa anumang aplikasyon.

Bilang mga inhinyero, palagi kaming naghahanap ng pinakabago at pinakamahusay na teknolohiya upang matulungan kaming magdisenyo ng mas mahusay na mga system.

Ngunit mahalaga din itong panatilihin sa isip na ang mga pangunahing kaalaman ng electronics ay nasa loob ng mahabang panahon at mahalaga rin ngayon tulad ng mga ito noon.

Kaya, kung ikaw ay isang bihasang engineer o nagsisimula pa lang, mahalagang malaman kung paano gumagana ang avalanche diodes sa modernong electronics.

Sa paggawa nito, mas makakagawa ka ng mga system na gumagana nang maayos at maaasahan para sa iyong mga application.

Kahit na nagbabago ang teknolohiya, nananatiling pareho ang mga pangunahing tuntunin ng electronics.