Kaip inžinierius žinote, kokie svarbūs elektroninių grandinių veikimui yra diodai.
Bet ar žinote apie lavinos diodą? Lavinos diodai skiriasi nuo įprastų diodų, nes jie turi specialią funkciją, leidžiančią atlikti daugybę skirtingų užduočių naudojant aukštos įtampos įrenginius.
Taigi prisisegkite ir pasiruoškite pasinerti į žavų lavinų diodų pasaulį!
Lavinos diodo įvadas
Oficialus apibrėžimas:
Puslaidininkinis gedimo diodas, dažniausiai pagamintas iš silicio, kuriame lavina įvyksta per visą pn sandūrą, o įtampos kritimas iš esmės yra pastovus ir nepriklausomas nuo srovės; du svarbiausi tipai yra IMPATT ir TRAPATT diodai.
Lavinos diodas yra puslaidininkinių diodų tipas, kuris, esant tam tikrai įtampai, sugenda lavinoje.
Kai diodo įtampa viršija tam tikrą vertę, įvyksta lavina.
Statyba
Zenerio diodas ir lavinos diodas yra pagaminti taip pat, tačiau dopingo kiekis lavinų dioduose skiriasi nuo Zenerio diodo.
Lavinos diodo sandūra yra skirta sustabdyti srovės koncentraciją ir iš jos kylančias karštąsias vietas, kad lavinos efektas nepakenktų diodui.
Lavinos diodo veikimo principas
Lavinos diodai yra sukurti veikti atvirkštinio gedimo srityje, kur jie gali nešti didelę srovę nepažeisti.
Lavinos diodo pn sandūra yra skirta sustabdyti srovės koncentraciją ir iš jos kylančias karštąsias vietas, kad lavinos efektas nepakenktų diodui.
Kai lavinos diodui taikoma atvirkštinė poslinkio įtampa, jis pasiekia gedimo įtampą ir patenka į lavinos gedimo sritį, kur gali nešti didelę srovę nepažeisdamas.
Lavinos gedimas įvyksta, kai diodo įtampa yra didesnė už tam tikrą vertę, todėl srovė greitai didėja.
Dėl lavinų dauginimo atsiranda daugiau laisvųjų elektronų ir jonų, todėl per įrenginį teka didelis srovės kiekis.
Lavinos diodų tipai
Zenerio diodas
Zenerio diodas yra diodų tipas, rodantis Zenerio gedimo efektą, kai diodo įtampa viršija tam tikrą lygį.
Didelis elektrinis laukas per diodą sukelia Zenerio gedimo efektą, kuris yra lavinos gedimo tipas.
Zenerio diodas dažniausiai naudojamas įtampai valdyti, apsaugoti nuo viršįtampių ir triukšmauti.
Lavinos fotodiodas
Lavinos fotodiodas yra puslaidininkinių diodų tipas, skirtas veikti lavinos gedimo srityje.
Jis dažnai naudojamas kaip didelio stiprumo fotonų detektorius prasto apšvietimo programose, pvz., šviesolaidinio ryšio sistemose ir vaizdo gavimo įrenginiuose.
Kai fotonai patenka į diodą, jie sukuria elektronų skylių poras
Didelis elektrinis laukas diode gali pagreitinti šias elektronų skylių poras, sukeldamas krūvininkų antplūdį.
Skirtumas tarp Zenerio ir Lavinos suskirstymo
Pagrindinis skirtumas tarp šių dviejų yra Zenerio gedimo ir lavinos gedimo būdas.
Zenerio gedimas įvyksta, kai diodo išeikvojimo srityje yra stiprus elektrinis laukas
Lavinos suskaidymas įvyksta, kai laisvieji elektronai patenka į diodo atomus.
Dopingo kiekis diode lemia Zenerio skilimo įtampą, o išeikvojimo srities plotis – lavinos gedimo įtampą.
Vaizdo įrašas: DIODAI! Visų rūšių jie ir kaip jie veikia
Patarimas: jei reikia, įjunkite antraštės mygtuką.
Lavinos diodų taikymas
Apsaugos įtaisai ir įtampos reguliatoriai
Dažniausiai lavinos diodai naudojami jautrioms elektroninėms dalims apsaugoti nuo sugadinimo dėl aukštos įtampos ar srovės šuolių elektroninėse grandinėse.
Jie taip pat gali būti naudojami apkrovos įtampai valdyti grandinėse, kur jie veikia atvirkštinio gedimo srityje.
Triukšmo šaltiniai RF ir mikrobangų grandinėse
RF ir mikrobangų grandinėse lavinų diodai dažnai naudojami kaip triukšmo šaltiniai.
Lavinos skilimo metu atsitiktinai susidaro elektronai ir skylės, o tai sukelia baltą triukšmą
Tai daro juos naudingus ryšiui ir elektroniniam karui.
Didelės spartos perjungimo įrenginiai skaitmeninėse grandinėse
Skaitmeninėse grandinėse lavinų diodai naudojami kaip greitaeigiai jungikliai, kurie gali įsijungti ir išsijungti per labai trumpą laiką, vadinamą pikosekunde.
Dėl šios priežasties jie gali būti naudojami tokiems dalykams kaip didelės spartos duomenų perdavimas ir skaitmeninių signalų apdorojimas.
Didelio našumo fotonų detektoriai optoelektroninėse sistemose
Lavinos fotodiodai (APD) yra puslaidininkiniai įtaisai, skirti veikti lavinos skilimo srityje, kai diodas sugeria fotonus.
APD naudojami šviesolaidinio ryšio sistemose, lazerinio nuotolio nustatymo sistemose ir kitose silpno apšvietimo programose kaip didelio stiprumo fotonų detektoriai.
Įtampos kritimas lavinų dioduose
Lavinos diodai sukurti taip, kad išnaudotų lavinos efektą, todėl sugedus jie turi nedidelį, bet pastebimą įtampos kritimą.
Kita vertus, Zenerio diodai visada palaiko įtampą aukščiau taško, kuriame jie sugenda.
Daugumos lavinų diodų įtampos kritimas yra nuo 1 iki 2 voltų.
Temperatūros įtampos koeficientas
Zenerio diodai turi mažą temperatūros įtampos koeficientą, kuris yra neigiamas, o lavina diodų - mažą temperatūros koeficientą, kuris yra teigiamas.
Tai reiškia, kad kylant temperatūrai, lavininio diodo įtampos kritimas šiek tiek padidės, o Zenerio diodo įtampos kritimas mažės kylant temperatūrai.
Palyginimas su kitais diodais
Daugumos Schottky diodų įtampos kritimas yra nuo 0,15 V iki 0,45 V.
Silicio diodų tiesioginė įtampa yra 0,7 V, o germanio diodų - 0,3 V.
Kadangi priekinės įtampos kritimas per silicio diodą yra beveik pastovus ir yra maždaug 0,7 V, o srovė per jį kinta gana dideliais dydžiais, į priekį nukreiptą silicio diodą galima naudoti kaip nuolatinės įtampos šaltinį.
Lavinos diodų naudojimo privalumai ir trūkumai
Lavinos diodai turi keletą pranašumų prieš įprastus diodus. Jie tarnauja ilgiau nei dauguma diodų, todėl jie yra patikimesni, kai naudojami tam tikrose situacijose.
Lavinos diodo pn sandūra yra skirta užkirsti kelią srovės koncentracijai ir dėl to atsirandantiems karštiems taškams, kad diodas nebūtų pažeistas dėl lavinos efekto.
Privalumai
Lavinos diodai yra naudingi daugelyje situacijų, pavyzdžiui, apsaugant grandines, sukuriant triukšmą ir ieškant fotonų.
Jie pasižymi didesniu jautrumu, dideliu našumu ir greitu atsako laiku, todėl puikiai tinka naudoti šiose programose.
Jie taip pat gali apsaugoti grandines nuo įtampos, kurios ten neturėtų būti, todėl jos naudingos elektroninėse sistemose.
Trūkumai
Tačiau yra keletas blogų dalykų, susijusių su lavininių diodų naudojimu, apie kuriuos turėtumėte pagalvoti.
Tai apima daug didesnės darbinės įtampos poreikį, nelinijinį išėjimą, kurį sukelia lavinos procesas, daug didesnį triukšmo lygį ir poreikį, kad veiktų didelis atvirkštinis poslinkis.
Lavinos diodai taip pat gali neveikti taip gerai, kaip kitų tipų diodai, o tai kai kuriose situacijose gali būti problema.
Nepaisant šių problemų, lavinų diodai vis dar plačiai naudojami tam tikrose situacijose dėl jų veikimo.
Nors jie gali būti ne tokie patikimi kaip kitų tipų diodai, jie yra naudingi elektroninėse sistemose, nes yra jautrūs ir greitai reaguoja.
Skirtumas tarp lavinos diodo ir PIN diodo
Lavinos diodai ir PIN diodai yra abu puslaidininkinių diodų tipai, tačiau jie veikia labai skirtingai.
Darbinė įtampa
Veikimo įtampa yra didelis skirtumas tarp dviejų tipų.
Lavinos diodai yra sukurti veikti atvirkštinio gedimo srityje, kuriai reikia didesnės įtampos nei įprastai veikimo zonai.
Kita vertus, PIN diodai veikia į priekį nukreiptoje srityje, kuriai paprastai reikia mažesnės įtampos.
Taigi, geriau sakyti, kad lavinos diodams reikia didesnės įtampos, kad jie pasiektų lavinos gedimo sritį, nei kad jiems reikia didesnės darbinės įtampos.
Triukšmas
Dėl savo veikimo lavina diodai gali sukelti daugiau triukšmo.
Tačiau šį triukšmo lygį galima sumažinti naudojant įtampą priešinga gedimo įtampai.
Kita vertus, PIN diodai dažniausiai naudojami, nes jie skleidžia mažiau triukšmo, tačiau vis tiek gali kelti triukšmą, priklausomai nuo to, kaip jie naudojami.
Vidinė struktūra
Lavinos diodų viduje yra vieta, kurioje elektronai dauginasi, kai iš išorės įjungiama atvirkštinė įtampa.
Dėl to vidinis stiprinimas yra nuo 10 iki 100 kartų didesnis.
Kita vertus, PIN diodai turi vidinę sritį, kuri turi didesnę išeikvojimo sritį ir mažesnę talpą nei standartinis pn diodas.
Tai reiškia, kad PIN diodai yra jautresni ir reaguoja greičiau.
Įtampos reikalavimai
Lavinos diodų atvirkštinė poslinkio įtampa yra daug didesnė, silicio atveju nuo 100 iki 200 voltų.
Kita vertus, PIN diodas veikia esant žemai įtampai ir tinka mažos galios įrenginiams.
Apskritai lavinų diodai ir PIN diodai gaminami panašiai, tačiau dėl skirtingų veikimo būdų jie naudojami skirtingose situacijose.
Lavinos diodai gali būti naudojami esant aukštai įtampai, o optoelektroninėse sistemose jie gali būti naudojami kaip didelio stiprumo fotonų detektoriai.
Kita vertus, PIN diodai yra geresni mažos galios, aukšto dažnio programoms, kurioms reikalingas mažas triukšmas ir didelis greitis.
Mažo triukšmo lavinų diodai
Lavinos fotodiodai yra teisingas mažo triukšmo lavinos diodų (APD) pavadinimas.
APD yra puslaidininkiniai fotodiodiniai detektoriai, kurie naudoja fotoelektrinį efektą, kad šviesa paverstų elektra. Jie labai jautrūs.
Jų aukštas signalo ir triukšmo santykis (SNR), greitas atsakas į laiką, maža tamsioji srovė ir didelis jautrumas yra tai, kuo jie išsiskiria.
APD taikymas
APD naudojami daugeliui skirtingų dalykų, pavyzdžiui:
- Lazeriniai nuotolio ieškikliai.
- Fotonų koreliacijos tyrimai.
- Ryšio su šviesolaidžiu sistemos.
- Lidaras.
- Skaitytuvai PET arba pozitronų emisijos tomografijai.
Mažo triukšmo šališkumo grandinė
APD stiprinimą valdo įtampa, kuri nukreipiama per sankryžą priešinga kryptimi. Kad stiprinimas būtų pastovus, o triukšmo lygis būtų žemas, šią įtampą reikia atidžiai kontroliuoti.
Norėdami tai padaryti, APD šališkumo įtampą galima sukurti ir valdyti mažo triukšmo šališkumo grandine. Šioje grandinėje naudojamas fiksuoto dažnio ir mažo triukšmo PWM stiprinimo keitiklis
Mikrovaldiklis, nuskaitantis termistorių, kompensuoja temperatūrą.
Perteklinis triukšmo faktorius
Palyginti su PIN fotodiodais, APD turi daugiau triukšmo, nes lavinų proceso statistika sukelia srovės svyravimus.
Perteklinio triukšmo koeficientas yra būdas apskaičiuoti, kiek daugiau triukšmo turi APD nei riboto triukšmo detektorius.
Lavinos fotodiodai
Labai jautrus puslaidininkinio fotodiodo detektorius, lavinos fotodiodas (APD) naudoja fotoelektrinį efektą, kad šviesa paverstų elektra.
APD veikia su dideliu atvirkštiniu poslinkiu, kuris leidžia skylėms ir elektronams, atsiradusioms patekus fotonui ar šviesai, daugintis kaip lavinos.
Tai leidžia kelis kartus padidinti fotodiodo stiprinimą, suteikiant jam platų jautrumo diapazoną.
Kaip veikia lavinų dauginimo procesas APD
Lavinos procesas prasideda, kai fotonas sugeria, o elektronas ar skylė jonizuojasi, kai jie į ką nors atsitrenkia.
Elektrinis laukas suteikia susidarantiems nešėjams pakankamai energijos, kad per smūginę jonizaciją susidarytų antriniai nešikliai.
Šis procesas sukuria elektronų ir skylių porų potvynį, kuris duoda stipresnį signalą nei vien tiesioginė absorbcija.
APD padidėjimas yra lygus viso elektronų ir skylių, padarytų lavinos proceso metu, ir prietaiso sugertų fotonų skaičiaus santykiui.
Privalumai ir trūkumai
Pagrindinis lavininio fotodiodo pranašumas yra tai, kad jis yra labai jautrus ir gali priimti žemo lygio signalus.
APD yra jautresnis nei kiti puslaidininkiniai fotodiodai ir gali būti naudojamas vietose, kur kiti fotodiodai gali nepasiekti tokio pat jautrumo lygio.
Palyginti su kitų tipų fotodiodais, APD taip pat reaguoja greičiau ir turi mažiau srovės, kai jis nenaudojamas.
Tačiau APD turi tam tikrų problemų.
- Viena iš pagrindinių APD problemų yra ta, kad, palyginti su kitais fotodiodais, jam reikia didesnės įtampos, kad jis veiktų.
- Dėl nešiklio dauginimo APD taip pat kelia daugiau triukšmo nei turėtų.
- Naudojant tinkamus projektavimo metodus ir eksploatavimo sąlygas, galima sumažinti triukšmą.
- Galiausiai, APD neturi linijinės išvesties, todėl kai kuriose situacijose jį gali būti sunkiau naudoti.
Naudojimo atvejai
| Naudojamas: | Apibūdinimas: |
|---|---|
| Įtampos reguliatoriai | Lavinos diodai gali būti naudojami valdyti įtampą elektroninėse grandinėse, suteikiant stabilią atskaitos įtampą. Jie gali būti naudojami kaip šunto reguliatorius, kad įtampa grandinėje būtų pastovi, arba kaip serijinis reguliatorius, kad išėjimo įtampa būtų stabili, net jei keičiasi įtampa. |
| Impulsų generatoriai | Lavinos diodai gali būti naudojami trumpiems aukštos įtampos sprogimams impulsų generatoriuose. Kai įvyksta įtampos šuolis, diodas sugenda ir sukuria staigų impulsą su greitu kilimo laiku. Tai naudinga tokiems dalykams kaip radaras, kuriam reikia didelio dažnio impulsų. |
| Mikrobangų krosnelės įrenginiai | IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) ir TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) dioduose naudojami lavinų diodai. Šie diodai siunčia aukšto dažnio signalus mikrobangų diapazone. Šie signalai naudojami radarų sistemose, palydovinio ryšio sistemose ir kitose aukšto dažnio programose. |
| Apsauga nuo viršįtampių | Lavinos diodai gali būti naudojami apsaugai nuo viršįtampių, siekiant apsaugoti elektroninius prietaisus nuo įtampos šuolių ir trumpalaikių viršįtampių. Jie gali prispausti įtampą iki tam tikro lygio ir apsaugoti įrenginį nuo sugadinimo dėl aukštos įtampos. |
| RF stiprintuvai | Radijo dažnio (RF) stiprintuvai gali naudoti lavinų diodus, kad sukurtų didelės galios RF signalus. Tokiu atveju diodas patenka į lavinos gedimo sritį, dėl ko srovė greitai pakyla ir sukuria stiprų RF signalą. |
| Rentgeno ir gama spindulių detektoriai | Lavinos diodai gali būti naudojami medicininiame vaizdavime ir kitose vietose kaip rentgeno ir gama spindulių detektoriai. Diodas surenka daug energijos turinčius fotonus, kurie siunčia srovės impulsą, kuriuo galima išmatuoti spinduliuotės energiją. |
Kiti naudojimo būdai:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Išvada
Baigiantis šiam straipsniui, aišku, kad lavinų diodai yra svarbios daugelio elektroninių sistemų dalys.
Dėl to, kaip jie pagaminti ir ką jie gali padaryti, jie yra naudingi įrankiai bet kuriam inžinieriui.
Tačiau, kaip ir bet kuri kita technologija, lavininių diodų naudojimas turi ir privalumų, ir trūkumų, todėl svarbu juos atidžiai pasverti bet kokioje programoje.
Kaip inžinieriai, mes visada ieškome naujausių ir geriausių technologijų, kurios padėtų mums kurti geresnes sistemas.
Tačiau taip pat svarbu išlaikyti turėkite omenyje, kad elektronikos pagrindai egzistuoja jau seniai ir šiandien yra tokie pat svarbūs kaip ir tada.
Taigi, nesvarbu, ar esate patyręs inžinierius, ar tik pradedate darbą, svarbu žinoti, kaip šiuolaikinėje elektronikoje veikia lavinų diodai.
Tai darydami galėsite geriau kurti sistemas, kurios gerai veiktų ir būtų patikimos jūsų programoms.
Nors technologijos keičiasi, pagrindinės elektronikos taisyklės išlieka tos pačios.
Pasidalinti…
