הבנת דיודות מפולת: מדריך למהנדסים

כמהנדס, אתה יודע כמה דיודות חשובות לאופן שבו מעגלים אלקטרוניים פועלים.

אבל האם אתה יודע על דיודת המפולת? דיודות מפולת שונות מדיודות רגילות מכיוון שיש להן תכונה מיוחדת המאפשרת להן לבצע מספר משימות שונות ביישומי מתח גבוה.

אז אחזו והתכוננו לצלול לעולם המרתק של דיודות מפולת!

מבוא ל-Avalanche Diode

הגדרה פורמלית:

דיודת התמוטטות מוליכים למחצה, עשויה בדרך כלל מסיליקון, שבה מתרחשת התמוטטות מפולת על פני כל צומת ה-pn ונפילת המתח היא אז בעצם קבועה ובלתי תלויה בזרם; שני הסוגים החשובים ביותר הם דיודות IMPATT ו-TRAPATT.

דיודת מפולת היא סוג של דיודה מוליכים למחצה שעשויה להתקלקל במפולת במתח מסוים.

כאשר המתח על פני דיודה עולה על ערך מסוים, מתרחשת התמוטטות מפולת.

בְּנִיָה

דיודת זנר ודיודת מפולת מיוצרות שניהם באותו אופן, אך כמות הסימום בדיודה של מפולת שונה מזו שבדיודת זנר.

המפגש של דיודת מפולת נעשה כדי לעצור את ריכוז הזרם ואת הנקודות החמות המגיעות ממנו, כך שאפקט המפולת לא יפגע בדיודה.

עקרון העבודה של דיודת מפולת

דיודות מפולת עשויות לעבוד באזור ההתמוטטות ההפוכה, שם הן יכולות לשאת זרם גדול מבלי להיפגע.

צומת pn של דיודת מפולת נועד לעצור את ריכוז הזרם ואת הנקודות החמות המגיעות ממנו, כך שאפקט המפולת לא יפגע בדיודה.

כאשר מתח הטיה הפוכה מופעל על דיודת המפולת, היא מגיעה למתח ההתמוטטות ונכנסת לאזור התמוטטות המפולת, שם היא יכולה לשאת זרם גדול מבלי להיפגע.

התמוטטות מפולת מתרחשת כאשר המתח על פני הדיודה גבוה מערך מסוים, מה שגורם לזרם לעלות במהירות.

כפל מפולת יוצר יותר אלקטרונים ויונים חופשיים, מה שגורם לכמות גדולה של זרם לזרום דרך המכשיר.

סוגי דיודות מפולת

דיודה זנר

דיודת הזנר היא סוג של דיודה המציגה את אפקט התמוטטות הזנר כאשר המתח על פני הדיודה עולה על רמה מסוימת.

שדה חשמלי גבוה על פני הדיודה גורם לאפקט התמוטטות הזנר, שהוא סוג של התמוטטות מפולת.

דיודת הזנר משמשת בעיקר לשליטה במתח, הגנה מפני נחשולי מתח והפקת רעש.

Photodiode של מפולת

פוטודיודת המפולת היא סוג של דיודה מוליכים למחצה המיועדת לעבוד באזור התמוטטות המפולת.

הוא משמש לעתים קרובות כגלאי פוטון בעל עוצמה גבוהה ביישומים בתאורה נמוכה כמו מערכות תקשורת סיבים אופטיים והתקני הדמיה.

כאשר פוטונים נקלטים על ידי הדיודה, הם יוצרים זוגות אלקטרונים-חורים

השדה החשמלי הגבוה בדיודה יכול אז להאיץ את זוגות האלקטרונים-חורים הללו, ולגרום לשיטפון של נושאי מטען.

ההבדל בין זנר להתמוטטות מפולת

הדרך שבה קורים התמוטטות זנר והתמוטטות מפולת היא ההבדל העיקרי בין השניים.

התמוטטות זנר מתרחשת כאשר יש שדה חשמלי חזק על פני אזור הדלדול של הדיודה

התמוטטות מפולת שלגים מתרחשת כאשר אלקטרונים חופשיים פוגעים באטומים בדיודה.

כמות הסימום בדיודה קובעת את מתח התפרקות הזנר, בעוד שרוחב אזור הדלדול קובע את מתח התמוטטות המפולת.

וידאו: דיודות! כל מיני אותם ואיך הם עובדים

טיפ: הפעל את לחצן הכיתוב אם אתה צריך את זה.

יישומים של דיודות מפולת

התקני הגנה ומווסת מתח

רוב הזמן, דיודות מפולת משמשות כדי להגן על חלקים אלקטרוניים רגישים מפני נזק על ידי מתח גבוה או עליות זרם במעגלים אלקטרוניים.

הם יכולים לשמש גם כדי לשלוט על המתח על פני עומס במעגלים, שבהם הם עובדים באזור התמוטטות הפוכה.

מקורות רעש במעגלי RF ומיקרוגל

במעגלי RF ומיקרוגל, דיודות מפולת משמשות לעתים קרובות כמקורות רעש.

במהלך תהליך התמוטטות מפולת, אלקטרונים וחורים נוצרים באקראי, מה שמשמיע רעש לבן

זה הופך אותם לשימושיים עבור תקשורת ולוחמה אלקטרונית.

התקני מיתוג במהירות גבוהה במעגלים דיגיטליים

במעגלים דיגיטליים, דיודות מפולת משמשות כמתגים במהירות גבוהה שיכולים להידלק ולכבות תוך פרק זמן קצר מאוד, הנקרא פיקושניה.

בגלל זה, הם יכולים לשמש לדברים כמו העברת נתונים במהירות גבוהה ועיבוד אותות דיגיטלי.

גלאי פוטון בעלי עוצמה גבוהה במערכות אופטואלקטרוניות

פוטודיודות מפולת (APD) הן התקני מוליכים למחצה שנועדו לעבוד באזור התמוטטות המפולת כאשר פוטונים נספגים על ידי הדיודה.

APDs משמשים במערכות תקשורת סיבים אופטיים, מערכות לייזר טווח, ויישומים אחרים ברמת אור נמוכה כגלאי פוטון בעלי עוצמה גבוהה.

נפילת מתח בדיודות מפולת

דיודות מפולת נועדו לנצל את אפקט המפולת, כך שיש להן ירידת מתח קטנה אך בולטת כשהן מתקלקלות.

דיודות זנר, לעומת זאת, תמיד שומרות על המתח מעל הנקודה שבה הן מתקלקלות.

לרוב דיודות המפולת יש מפל מתח של בין 1 ל-2 וולט.

מקדם טמפרטורה של מתח

לדיודות זנר יש מקדם טמפרטורה קטן של מתח שהוא שלילי, בעוד לדיודות Avalanche יש מקדם טמפרטורה קטן של מתח חיובי.

המשמעות היא שככל שהטמפרטורה תעלה, ירידת המתח בדיודה של מפולת תעלה מעט, בעוד ירידת המתח בדיודה זנר תרד ככל שהטמפרטורה תעלה.

השוואה עם דיודות אחרות

לרוב דיודות שוטקי יש מפל מתח של בין 0.15V ל-0.45V.

המתח קדימה עבור דיודות סיליקון הוא 0.7V, ועבור דיודות גרמניום הוא 0.3V.

מכיוון שמפל המתח קדימה על פני דיודת סיליקון כמעט קבוע ועומד על 0.7 וולט בערך, בעוד שהזרם דרכו משתנה בכמויות גדולות יחסית, דיודת סיליקון מוטה קדימה יכולה לשמש כמקור מתח קבוע.

יתרונות וחסרונות של שימוש בדיודות מפולת

לדיודות מפולת יש מספר יתרונות על פני דיודות רגילות. הם מחזיקים מעמד זמן רב יותר מרוב הדיודות, מה שהופך אותם לאמינים יותר כאשר משתמשים בהם במצבים מסוימים.

צומת pn של דיודת מפולת נועד למנוע ריכוז זרם ונקודות חמות הנובעות מכך, כך שהדיודה לא תיפגע מאפקט המפולת.

היתרונות

דיודות מפולת שימושיות במספר מצבים, כגון הגנה על מעגלים, יצירת רעש ומציאת פוטונים.

הם מציגים רמה גבוהה יותר של רגישות, ביצועים גבוהים וזמן תגובה מהיר, מה שהופך אותם לאידיאליים לשימוש ביישומים אלה.

הם יכולים גם להגן על מעגלים מפני מתחים שלא צריכים להיות שם, מה שהופך אותם לשימושיים במערכות אלקטרוניות.

החסרונות

אבל יש כמה דברים רעים בשימוש בדיודות מפולת שעליכם לחשוב עליהם.

אלה כוללים את הצורך במתח הפעלה גבוה בהרבה, פלט לא ליניארי שנגרם מתהליך המפולת, רמת רעש גבוהה בהרבה, והצורך בהטיה הפוכה גבוהה כדי לעבוד.

ייתכן שגם דיודות מפולת לא יפעלו כמו סוגים אחרים של דיודות, מה שעלול להוות בעיה במצבים מסוימים.

למרות שיש להם את הבעיות האלה, דיודות מפולת עדיין נמצאות בשימוש נרחב במצבים מסוימים בגלל אופן הפעולה שלהן.

למרות שהם אולי לא אמינים כמו סוגים אחרים של דיודות, הם שימושיים במערכות אלקטרוניות מכיוון שהם רגישים ומגיבים במהירות.

ההבדל בין דיודת מפולת לדיודת PIN

דיודות מפולת ודיודות PIN הן שני סוגי דיודות מוליכים למחצה, אך הן פועלות בדרכים שונות מאוד.

מתח הפעלה

מתח הריצה הוא הבדל גדול בין שני הסוגים.

דיודות מפולת עשויות לעבוד באזור התמוטטות הפוכה, אשר זקוק למתח גבוה יותר מאזור הפעולה הרגיל.

דיודות PIN, לעומת זאת, פועלות באזור המוטה קדימה, שבדרך כלל צריך פחות מתח.

אז עדיף לומר שדיודות מפולת צריכות מתח גבוה יותר כדי להגיע לאזור התמוטטות המפולת מאשר שהן צריכות מתח פעולה גבוה יותר.

רַעַשׁ

בגלל איך הם פועלים, דיודות מפולת יכולות לעשות יותר רעש.

אבל ניתן להוריד את רמת הרעש הזו על ידי הפעלת מתח בכיוון ההפוך למתח התמוטטות.

דיודות PIN, לעומת זאת, משמשות בדרך כלל מכיוון שהן משמיעות פחות רעש, אך הן עדיין יכולות לעשות קצת רעש בהתאם לאופן השימוש בהן.

מבנה פנימי

דיודות מפולת יש מקום בפנים שבו אלקטרונים מתרבים כאשר מתח הפוך מופעל מבחוץ.

זה הופך את ההגברה הפנימית לגדולה בין פי 10 ל-100.

מצד שני, לדיודות PIN יש אזור פנימי בעל אזור דלדול גדול יותר ופחות קיבול מאשר דיודת pn רגילה.

המשמעות היא שדיודות PIN רגישות יותר ומגיבות מהר יותר.

דרישות מתח

לדיודות מפולת יש מתח הטיה הפוך שהוא הרבה יותר גבוה, בין 100 ל-200 וולט לסיליקון.

דיודת ה-PIN, לעומת זאת, פועלת במתח נמוך והיא טובה למכשירים בעלי הספק נמוך.

בסך הכל, דיודות מפולת ודיודות PIN מיוצרות בדרכים דומות, אך דרכי העבודה השונות שלהן אומרות שהן משמשות במצבים שונים.

ניתן להשתמש בדיודות מפולת עם מתחים גבוהים, ובמערכות אופטו-אלקטרוניות ניתן להשתמש בהן כגלאי פוטון בעלי עוצמה גבוהה.

מצד שני, דיודות PIN טובות יותר עבור יישומים בעלי הספק נמוך ובתדר גבוה שצריכים גם רעש נמוך וגם מהירות גבוהה.

דיודות מפולת רעש נמוך

פוטו-דיודות מפולת הן השם הנכון לדיודות מפולת ברעש נמוך (APD).

APDs הם גלאי פוטודיודות מוליכים למחצה המשתמשים באפקט הפוטואלקטרי כדי להפוך אור לחשמל. הם מאוד רגישים.

יחס האות לרעש הגבוה שלהם (SNR), תגובת הזמן המהירה, זרם החושך הנמוך והרגישות הגבוהה הם מה שמבליטים אותם.

יישומים של APDs

APDs משמשים לדברים רבים ושונים, כגון:

• מדדי טווח לייזר.
• מחקרים על מתאם פוטון.
• מערכות לתקשורת עם סיבים אופטיים.
• לידר.
• סורקים ל-PET, או טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים.

מעגל הטיית רעש נמוך

הרווח של APD נשלט על ידי המתח שמופעל על פני הצומת בכיוון ההפוך. כדי לשמור על הרווח יציב ורמת הרעש נמוכה, יש לשלוט בקפידה על מתח זה.

לשם כך, מתח ההטיה עבור APDs יכול להתבצע ולשלוט על ידי מעגל הטיה בעל רעש נמוך. מעגל זה משתמש בממיר PWM Boost עם תדר קבוע ורעש נמוך

מיקרו-בקר שקורא תרמיסטור מפצה על הטמפרטורה.

עודף גורם רעש

בהשוואה לפוטודיודות PIN, ל-APD יש יותר רעש מכיוון שהסטטיסטיקה של תהליך המפולת גורמת לתנודות זרם.

גורם הרעש העודף הוא דרך לחשב כמה יותר רעש יש ל-APD מאשר גלאי מוגבל לרעש ירייה.

Photodiodes של מפולת

גלאי פוטודיודת מוליכים למחצה רגיש במיוחד, פוטודיודת מפולת (APD) משתמשת באפקט הפוטואלקטרי כדי להפוך אור לחשמל.

ה-APD פועל עם הטיה הפוכה גבוהה, המאפשרת לחורים ולאלקטרונים שנוצרים כאשר פוטון או אור פוגעים בו להתרבות כמו מפולות שלגים.

זה מאפשר להגביר את הרווח של הפוטודיודה מספר פעמים, ומעניק לה מגוון רחב של רגישות.

כיצד פועל תהליך הכפל של מפולת ב-APDs

תהליך המפולת מתחיל כאשר פוטון נספג ואלקטרון או חור מיוננים כאשר הם פוגעים במשהו.

השדה החשמלי נותן לנושאים המתקבלים מספיק אנרגיה כדי ליצור נשאים משניים באמצעות יינון השפעה.

תהליך זה יוצר הצפה של זוגות אלקטרונים-חורים, מה שנותן אות חזק יותר מאשר קליטה ישירה בלבד.

הרווח של ה-APD שווה ליחס בין המספר הכולל של אלקטרונים וחורים שנוצרו בתהליך המפולת למספר הפוטונים הנספגים במכשיר.

יתרונות וחסרונות

היתרון העיקרי של פוטודיודת מפולת הוא שהיא רגישה מאוד ויכולה לקלוט אותות ברמה נמוכה.

ה-APD רגיש יותר מפוטודיודות מוליכים למחצה אחרים וניתן להשתמש בו במקומות שבהם ייתכן שפוטודיודות אחרות לא יוכלו להגיע לאותה רמת רגישות.

בהשוואה לסוגים אחרים של פוטודיודות, ה-APD גם מגיב מהר יותר ויש לו פחות זרם כאשר הוא אינו בשימוש.

עם זאת, ל-APD יש כמה בעיות.

• אחת הבעיות העיקריות עם APD היא שבהשוואה לפוטודיודות אחרות, היא זקוקה למתח גבוה יותר כדי לעבוד.
• בשל ריבוי הנשאים, APDs גם עושים יותר רעש ממה שהם צריכים.
• שימוש בטכניקות העיצוב הנכונות ובתנאי ההפעלה יכולים להפחית את הרעש.
• לבסוף, ל-APD אין פלט ליניארי, מה שעלול להקשות על השימוש במצבים מסוימים.

מקרי שימוש

בשימוש ב:	תיאור:
ווסתי מתח	ניתן להשתמש בדיודות מפולת כדי לשלוט במתח במעגלים אלקטרוניים על ידי מתן מתח ייחוס יציב. הם יכולים לשמש כמווסת shunt כדי לשמור על המתח קבוע על פני המעגל או כמווסת סדרה כדי לשמור על מתח המוצא יציב גם אם המתח מגיע משתנה.
מחוללי דופק	דיודות מפולת יכולות לשמש ליצירת התפרצויות קצרות של מתח גבוה במחוללי פולסים. כאשר מתרחשת עליית מתח, הדיודה נכנסת להתמוטטות מפולת ומוציאה דופק חד עם זמן עלייה מהיר. זה שימושי עבור דברים כמו מכ"ם, שצריכים פולסים בתדר גבוה.
מכשירי מיקרוגל	דיודות IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) ו-TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) משתמשות בדיודות מפולת. דיודות אלו שולחות אותות בתדר גבוה בטווח המיקרוגל אותות אלו משמשים במערכות מכ"ם, מערכות תקשורת לווייניות ויישומים אחרים בתדר גבוה.
הגנה מפני נחשולי מתח	ניתן להשתמש בדיודות מפולת במגני נחשולי מתח כדי להגן על מכשירים אלקטרוניים מפני קפיצי מתח ומתחי יתר חולפים. הם יכולים להדק את המתח ברמה מסוימת ולמנוע שהמכשיר לא ייפגע ממתח גבוה.
מגברי RF	מגברי תדר רדיו (RF) יכולים להשתמש בדיודות מפולת כדי ליצור אותות RF בהספק גבוה. במקרה זה, הדיודה נכנסת לאזור התמוטטות המפולת, מה שגורם לזרם לעלות במהירות וליצור אות RF חזק.
גלאי קרני רנטגן וגמא	דיודות מפולת יכולות לשמש בהדמיה רפואית ובמקומות אחרים כגלאי רנטגן וקרני גמא. פוטונים בעלי אנרגיה רבה נקלטים על ידי הדיודה, אשר שולחת פולס של זרם שניתן להשתמש בו למדידת אנרגיית הקרינה.

שימושים אחרים:

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

סיכום

כשמאמר זה מגיע לסיומו, ברור שדיודות מפולת הן חלק חשוב במערכות אלקטרוניות רבות.

בגלל האופן שבו הם עשויים ומה הם יכולים לעשות, הם כלים שימושיים עבור כל מהנדס.

אבל, כמו כל טכנולוגיה אחרת, לשימוש בדיודות מפולת יש גם יתרונות וגם חסרונות, וחשוב לשקול אותם בקפידה בכל יישום.

כמהנדסים, אנחנו תמיד מחפשים את הטכנולוגיה החדשה והטובה ביותר שתעזור לנו לתכנן מערכות טובות יותר.

אבל חשוב גם לשמור יש לזכור שהיסודות של האלקטרוניקה קיימים כבר זמן רב והם חשובים היום בדיוק כמו אז.

לכן, בין אם אתה מהנדס מנוסה או רק בתחילת הדרך, חשוב לדעת איך דיודות מפולת עובדות באלקטרוניקה מודרנית.

על ידי כך, תוכל לתכנן טוב יותר מערכות שעובדות היטב ואמינות עבור היישומים שלך.

למרות שהטכנולוגיה משתנה, הכללים הבסיסיים של האלקטרוניקה נשארים זהים.