Kao inženjer, znate koliko su diode važne za rad elektroničkih sklopova.
Ali znate li za lavinsku diodu? Lavinske diode razlikuju se od običnih dioda jer imaju posebnu značajku koja im omogućuje obavljanje niza različitih zadataka u visokonaponskim aplikacijama.
Zato se zakopčajte i pripremite za uronjenje u fascinantan svijet lavinskih dioda!
Uvod u lavinsku diodu
Formalna definicija:
Poluvodička probojna dioda, obično izrađena od silicija, u kojoj dolazi do lavinskog proboja preko cijelog pn spoja i pad napona je tada u biti konstantan i neovisan o struji; dva najvažnija tipa su IMPATT i TRAPATT diode.
Lavinska dioda je vrsta poluvodičke diode koja je napravljena da se pokvari u lavini pri određenom naponu.
Kada napon na diodi prijeđe određenu vrijednost, dolazi do lavinskog sloma.
Izgradnja
Zener dioda i lavinska dioda su napravljene na isti način, ali je količina dopinga u lavinskoj diodi drugačija od one u Zener diodi.
Spoj lavinske diode napravljen je da zaustavi koncentraciju struje i vruće točke koje iz nje dolaze, tako da lavinski efekt ne ošteti diodu.
Princip rada lavinske diode
Lavinske diode su napravljene da rade u reverznom području proboja, gdje mogu nositi veliku struju bez oštećenja.
Pn spoj lavinske diode napravljen je da zaustavi koncentraciju struje i vruće točke koje iz nje dolaze, tako da lavinski efekt ne ošteti diodu.
Kada se obrnuti prednapon primijeni na lavinsku diodu, ona doseže probojni napon i odlazi u područje lavinskog proboja, gdje može nositi veliku struju bez oštećenja.
Lavinski slom događa se kada je napon na diodi veći od određene vrijednosti, što uzrokuje brz porast struje.
Lavinsko umnožavanje stvara više slobodnih elektrona i iona, što uzrokuje protok velike količine struje kroz uređaj.
Vrste lavinskih dioda
Zener dioda
Zener dioda je vrsta diode koja pokazuje učinak Zenerovog proboja kada napon na diodi prijeđe određenu razinu.
Visoko električno polje preko diode uzrokuje učinak Zenerovog proboja, što je vrsta lavinskog proboja.
Zener dioda se uglavnom koristi za kontrolu napona, zaštitu od prenapona i stvaranje buke.
Lavinska fotodioda
Lavinska fotodioda vrsta je poluvodičke diode koja je napravljena da radi u području lavinskog proboja.
Često se koristi kao detektor fotona visokog pojačanja u aplikacijama sa slabim osvjetljenjem kao što su komunikacijski sustavi s optičkim vlaknima i uređaji za snimanje.
Kada dioda uzme fotone, oni stvaraju parove elektron-rupa
Visoko električno polje u diodi tada može ubrzati te parove elektron-rupa, uzrokujući poplavu nositelja naboja.
Razlika između Zener i Avalanche Breakdown
Način na koji se događa slom Zenera i slom lavine glavna je razlika između njih dvoje.
Zenerov slom se događa kada postoji jako električno polje preko područja osiromašenja diode
Lavinski slom događa se kada slobodni elektroni udare u atome diode.
Količina dopinga u diodi određuje Zenerov probojni napon, dok širina osiromašenog područja određuje lavinski probojni napon.
Video: DIODE! Sve vrste i kako rade
Savjet: Uključite tipku titlova ako vam je potrebna.
Primjena lavinskih dioda
Zaštitni uređaji i regulatori napona
Većinu vremena, lavinske diode se koriste za zaštitu osjetljivih elektroničkih dijelova od oštećenja visokim naponom ili udarima struje u elektroničkim krugovima.
Također se mogu koristiti za kontrolu napona preko opterećenja u krugovima, gdje rade u reverznom području sloma.
Izvori šuma u RF i mikrovalnim krugovima
U RF i mikrovalnim krugovima, lavinske diode se često koriste kao izvori šuma.
Tijekom procesa sloma lavine, elektroni i rupe nastaju nasumično, što stvara bijeli šum
To ih čini korisnima za komunikaciju i elektroničko ratovanje.
Preklopni uređaji velike brzine u digitalnim krugovima
U digitalnim sklopovima, lavinske diode se koriste kao brzi prekidači koji se mogu uključiti i isključiti u vrlo kratkom vremenu, koje se naziva pikosekunda.
Zbog toga se mogu koristiti za stvari kao što su brzi prijenos podataka i digitalna obrada signala.
Fotonski detektori visokog pojačanja u optoelektroničkim sustavima
Lavinske fotodiode (APD) su poluvodički uređaji koji rade u području lavinskog sloma kada dioda apsorbira fotone.
APD-ovi se koriste u optičkim komunikacijskim sustavima, laserskim sustavima za određivanje udaljenosti i drugim aplikacijama s niskom razinom osvjetljenja kao detektori fotona s visokim pojačanjem.
Pad napona u lavinskim diodama
Lavinske diode su dizajnirane da iskoriste učinak lavine, tako da imaju mali, ali primjetan pad napona kada se pokvare.
Zener diode, s druge strane, uvijek održavaju napon iznad točke u kojoj se kvare.
Većina lavinskih dioda ima pad napona između 1 i 2 volta.
Temperaturni koeficijent napona
Zener diode imaju mali temperaturni koeficijent napona koji je negativan, dok Avalanche diode imaju mali temperaturni koeficijent napona koji je pozitivan.
To znači da kako temperatura raste, pad napona u lavinskoj diodi će lagano rasti, dok će pad napona u Zener diodi opadati kako temperatura raste.
Usporedba s drugim diodama
Većina Schottky dioda ima pad napona između 0,15 V i 0,45 V.
Prednji napon za silicijske diode je 0,7 V, a za germanijske diode je 0,3 V.
Budući da je pad napona na silicijskoj diodi gotovo konstantan na oko 0,7 V, dok struja kroz nju varira u relativno velikim količinama, silicijska dioda s prednaponom može se koristiti kao izvor konstantnog napona.
Prednosti i nedostaci korištenja lavinskih dioda
Lavinske diode imaju nekoliko prednosti u odnosu na normalne diode. Traju dulje od većine dioda, što ih čini pouzdanijima kada se koriste u određenim situacijama.
Pn spoj lavinske diode dizajniran je za sprječavanje koncentracije struje i rezultirajućih vrućih točaka tako da dioda nije oštećena lavinskim učinkom.
Prednosti
Lavinske diode korisne su u brojnim situacijama, kao što su zaštita krugova, stvaranje buke i pronalaženje fotona.
Oni pokazuju veću razinu osjetljivosti, visoke performanse i brzo vrijeme odziva, što ih čini idealnim za korištenje u ovim aplikacijama.
Također mogu zaštititi strujne krugove od napona kojih ne bi trebalo biti, što ih čini korisnim u elektroničkim sustavima.
Nedostaci
Ali postoje neke loše stvari o korištenju lavinskih dioda o kojima biste trebali razmisliti.
To uključuje potrebu za mnogo višim radnim naponom, nelinearni izlaz uzrokovan lavinskim procesom, mnogo višu razinu buke i potrebu za visokim prednaprezanjem za rad.
Lavinske diode također možda neće raditi tako dobro kao druge vrste dioda, što bi u nekim situacijama moglo biti problem.
Iako imaju te probleme, lavinske diode još uvijek se često koriste u određenim situacijama zbog načina na koji rade.
Iako možda nisu tako pouzdane kao druge vrste dioda, korisne su u elektroničkim sustavima jer su osjetljive i brzo reagiraju.
Razlika između lavinske diode i PIN diode
Lavinske diode i PIN diode su obje vrste poluvodičkih dioda, ali rade na vrlo različite načine.
Radni napon
Radni napon je velika razlika između ove dvije vrste.
Lavinske diode su napravljene da rade u reverznom području proboja, za koje je potreban viši napon od normalnog radnog područja.
PIN diode, s druge strane, rade u području usmjerenom naprijed, koje obično zahtijeva manji napon.
Dakle, bolje je reći da lavinskim diodama treba veći napon da bi dosegle područje lavinskog proboja nego da im je potreban viši radni napon.
Buka
Zbog načina na koji rade, lavinske diode mogu stvarati više buke.
Ali ova se razina buke može smanjiti primjenom napona u suprotnom smjeru od probojnog napona.
PIN diode, s druge strane, obično se koriste jer stvaraju manje buke, ali ipak mogu stvarati buku ovisno o tome kako se koriste.
Unutarnja struktura
Lavinske diode imaju mjesto unutra gdje se elektroni umnožavaju kada se izvana primijeni obrnuti napon.
To čini unutarnje pojačanje između 10 i 100 puta većim.
S druge strane, PIN diode imaju intrinzično područje koje ima veće područje osiromašenja i manji kapacitet od standardne pn diode.
To znači da su PIN diode osjetljivije i brže reagiraju.
Zahtjevi za napon
Lavinske diode imaju reverzni prednapon koji je mnogo veći, između 100 i 200 volti za silicijum.
PIN dioda, s druge strane, radi na niskom naponu i dobra je za uređaje male snage.
Općenito, lavinske diode i PIN diode izrađene su na sličan način, ali njihov različit način rada znači da se koriste u različitim situacijama.
Lavinske diode mogu se koristiti s visokim naponima, au optoelektroničkim sustavima mogu se koristiti kao detektori fotona visokog pojačanja.
S druge strane, PIN diode su bolje za male snage, visokofrekventne aplikacije koje trebaju i nisku buku i veliku brzinu.
Niskošumne lavinske diode
Lavinske fotodiode ispravan su naziv za lavinske diode s niskim šumom (APD).
APD su poluvodički fotodiodni detektori koji koriste fotoelektrični učinak za pretvaranje svjetlosti u električnu energiju. Vrlo su osjetljivi.
Njihov visok omjer signala i šuma (SNR), brz vremenski odziv, niska tamna struja i visoka osjetljivost ono je što ih ističe.
Primjene APD-ova
APD-ovi se koriste za mnogo različitih stvari, kao što su:
- Laserski daljinomjeri.
- Studije korelacije fotona.
- Sustavi za komunikaciju s optičkim vlaknima.
- Lidar.
- Skeneri za PET, odnosno pozitronsku emisijsku tomografiju.
Niskošumni prednaponski krug
Pojačanje APD-a kontrolira se naponom koji se stavlja na spoj u suprotnom smjeru. Kako bi pojačanje bilo stabilno, a razina šuma niska, ovaj napon treba pažljivo kontrolirati.
Da bi se to postiglo, prednapon za APD-ove može se napraviti i kontrolirati niskošumnim prednaponom. Ovaj sklop koristi PWM pojačalni pretvarač s fiksnom frekvencijom i niskim šumom
Mikrokontroler koji očitava termistor kompenzira temperaturu.
Faktor viška buke
U usporedbi s PIN fotodiodama, APD imaju više šuma jer statistika lavinskog procesa uzrokuje fluktuacije struje.
Faktor viška buke način je izračunavanja koliko više buke ima APD od detektora s ograničenom bukom pucnja.
Lavinske fotodiode
Visoko osjetljivi poluvodički fotodiodni detektor, lavinska fotodioda (APD) koristi fotoelektrični učinak za pretvaranje svjetlosti u električnu energiju.
APD radi s visokom reverznom prednapregnutošću, što omogućuje da se rupe i elektroni koji nastanu kad foton ili svjetlo udare u njega množe poput lavina.
To omogućuje nekoliko puta povećanje pojačanja fotodiode, dajući joj širok raspon osjetljivosti.
Kako funkcionira proces lavinskog umnožavanja u APD-ovima
Proces lavine počinje kada se foton apsorbira, a elektron ili rupa se ioniziraju kada udare u nešto.
Električno polje daje rezultirajućim nositeljima dovoljno energije za stvaranje sekundarnih nositelja udarnom ionizacijom.
Ovaj proces stvara poplavu parova elektron-rupa, što daje jači signal od same izravne apsorpcije.
Dobitak APD-a jednak je omjeru ukupnog broja elektrona i rupa nastalih procesom lavine prema broju fotona koje je uređaj apsorbirao.
Prednosti i nedostatci
Glavna prednost lavinske fotodiode je da je vrlo osjetljiva i može uhvatiti signale niske razine.
APD je osjetljiviji od ostalih poluvodičkih fotodioda i može se koristiti na mjestima gdje druge fotodiode možda neće moći postići istu razinu osjetljivosti.
U usporedbi s drugim vrstama fotodioda, APD također reagira brže i ima manji protok struje kada se ne koristi.
APD-ovi ipak imaju nekih problema.
- Jedan od glavnih problema s APD-om je taj što mu je, u usporedbi s drugim fotodiodama, potreban viši napon za rad.
- Zbog umnožavanja nositelja, APD-ovi stvaraju više šuma nego što bi trebali.
- Korištenje pravih tehnika projektiranja i radnih uvjeta može smanjiti buku.
- Na kraju, APD nema linearni izlaz, što može otežati njegovu upotrebu u nekim situacijama.
Slučajevi upotrebe
| Korišteno u: | Opis: |
|---|---|
| Regulatori napona | Lavinske diode mogu se koristiti za kontrolu napona u elektroničkim krugovima osiguravajući stabilan referentni napon. Mogu se koristiti kao shunt regulator za održavanje konstantnog napona u krugu ili kao serijski regulator za održavanje izlaznog napona stabilnim čak i ako se napon koji dolazi mijenja. |
| Generatori impulsa | Lavinske diode mogu se koristiti za stvaranje kratkih izboja visokog napona u generatorima impulsa. Kada dođe do skoka napona, dioda prelazi u lavinski slom i daje oštar puls s brzim vremenom porasta. Ovo je korisno za stvari poput radara, koji trebaju impulse visoke frekvencije. |
| Mikrovalni uređaji | Diode IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) i TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) koriste lavinske diode. Ove diode odašilju visokofrekventne signale u mikrovalnom rasponu. Ovi se signali koriste u radarskim sustavima, satelitskim komunikacijskim sustavima i drugim visokofrekventnim aplikacijama. |
| Zaštita od prenapona | Lavinske diode mogu se koristiti u prenaponskim zaštitnicima za zaštitu elektroničkih uređaja od skokova napona i prolaznih prenapona. Oni mogu stegnuti napon na određenoj razini i zaštititi uređaj od oštećenja visokim naponom. |
| RF pojačala | Radiofrekventna (RF) pojačala mogu koristiti lavinske diode za stvaranje RF signala velike snage. U tom slučaju, dioda ide u područje lavinskog sloma, što uzrokuje brz porast struje i stvaranje snažnog RF signala. |
| Detektori rendgenskih i gama zraka | Lavinske diode mogu se koristiti u medicinskim slikama i na drugim mjestima kao detektori rendgenskih i gama zraka. Fotone s puno energije hvata dioda, koja šalje impuls struje koji se može koristiti za mjerenje energije zračenja. |
Ostale upotrebe:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Zaključak
Kako se ovaj članak približava kraju, jasno je da su lavinske diode važni dijelovi mnogih elektroničkih sustava.
Zbog načina na koji su napravljeni i onoga što mogu učiniti, korisni su alati za svakog inženjera.
No, kao i svaka druga tehnologija, korištenje lavinskih dioda ima i prednosti i nedostatke i važno ih je pažljivo odvagnuti u svakoj primjeni.
Kao inženjeri, uvijek tražimo najnoviju i najbolju tehnologiju koja će nam pomoći da dizajniramo bolje sustave.
Ali također je važno zadržati imajte na umu da osnove elektronike postoje već dugo i jednako su važne danas kao što su bile i tada.
Dakle, bilo da ste iskusni inženjer ili tek počinjete, važno je znati kako rade lavinske diode u modernoj elektronici.
Čineći to, moći ćete bolje dizajnirati sustave koji dobro rade i pouzdani su za vaše aplikacije.
Iako se tehnologija mijenja, osnovna pravila elektronike ostaju ista.
Dijeli…
