Kā inženieris jūs zināt, cik svarīgas elektronisko shēmu darbībai ir diodes.
Bet vai jūs zināt par lavīnas diodi? Lavīnu diodes atšķiras no parastajām diodēm, jo tām ir īpaša funkcija, kas ļauj tām veikt vairākus dažādus uzdevumus augstsprieguma lietojumos.
Tāpēc piesprādzējieties un gatavojieties ienirt aizraujošajā lavīnu diožu pasaulē!
Ievads lavīnu diodē
Formālā definīcija:
Pusvadītāju sabrukšanas diode, kas parasti ir izgatavota no silīcija, kurā lavīnas pārrāvums notiek visā pn krustojumā, un sprieguma kritums tad būtībā ir nemainīgs un neatkarīgs no strāvas; divi svarīgākie veidi ir IMPATT un TRAPATT diodes.
Lavīnas diode ir pusvadītāju diodes veids, kas lavīnā sadalās pie noteikta sprieguma.
Kad spriegums pāri diodei pārsniedz noteiktu vērtību, notiek lavīnas sadalījums.
Būvniecība
Gan Zenera diode, gan lavīnas diode ir izgatavotas vienādi, taču dopinga daudzums lavīnas diodē atšķiras no Zenera diodes.
Lavīnas diodes savienojums ir izveidots, lai apturētu strāvas koncentrāciju un karstos punktus, kas nāk no tā, lai lavīnas efekts nekaitētu diodei.
Lavīnas diodes darbības princips
Lavīnu diodes ir paredzētas darbam apgrieztā sadalījuma reģionā, kur tās var pārvadāt lielu strāvu bez bojājumiem.
Lavīnas diodes pn savienojums ir izveidots, lai apturētu strāvas koncentrāciju un karstos punktus, kas nāk no tā, lai lavīnas efekts nekaitētu diodei.
Kad lavīnas diodei tiek pielikts apgrieztais nobīdes spriegums, tas sasniedz sabrukšanas spriegumu un nonāk lavīnas pārrāvuma reģionā, kur tas var pārvadāt lielu strāvu, nesabojājot.
Lavīnas sabrukums notiek, ja spriegums pāri diodei ir lielāks par noteiktu vērtību, kas liek strāvai strauji pieaugt.
Lavīnu pavairošana rada vairāk brīvo elektronu un jonu, kā rezultātā caur ierīci plūst liels daudzums strāvas.
Lavīnu diožu veidi
Zenera diode
Zenera diode ir diodes veids, kas parāda Zenera sabrukšanas efektu, kad spriegums pāri diodei pārsniedz noteiktu līmeni.
Augsts elektriskais lauks pāri diodei izraisa Zenera sabrukšanas efektu, kas ir lavīnas sadalījuma veids.
Zenera diode galvenokārt tiek izmantota, lai kontrolētu spriegumu, aizsargātu pret pārspriegumiem un radītu troksni.
Lavīnas fotodiode
Lavīnas fotodiode ir pusvadītāju diodes veids, kas paredzēts darbam lavīnas sabrukšanas reģionā.
To bieži izmanto kā augsta pastiprinājuma fotonu detektoru vājā apgaismojumā, piemēram, optiskās šķiedras sakaru sistēmās un attēlveidošanas ierīcēs.
Kad diode uzņem fotonus, tie rada elektronu caurumu pārus
Diodes lielais elektriskais lauks var paātrināt šos elektronu caurumu pārus, izraisot lādiņu nesēju plūdus.
Atšķirība starp Zeneru un Avalanche sadalījumu
Galvenā atšķirība starp abiem ir veids, kā notiek Zenera sabrukums un lavīnas sabrukums.
Zenera sabrukums notiek, ja diodes izsīkuma reģionā ir spēcīgs elektriskais lauks
Lavīnas sadalīšanās notiek, kad brīvie elektroni ietriecas diodes atomos.
Dopinga daudzums diodē nosaka Zenera pārrāvuma spriegumu, bet izsīkuma apgabala platums nosaka lavīnas pārrāvuma spriegumu.
Video: DIODES! Visu veidu tie un to darbības principi
Padoms. Ja nepieciešams, ieslēdziet parakstu pogu.
Lavīnu diožu pielietojumi
Aizsardzības ierīces un sprieguma regulatori
Lielāko daļu laika lavīnu diodes izmanto, lai aizsargātu jutīgas elektroniskās daļas no augstsprieguma vai strāvas pārspriegumiem elektroniskajās shēmās.
Tos var arī izmantot, lai kontrolētu spriegumu pāri slodzei ķēdēs, kur tie darbojas apgrieztā sadalījuma reģionā.
Trokšņu avoti RF un mikroviļņu shēmās
RF un mikroviļņu shēmās lavīnu diodes bieži izmanto kā trokšņu avotus.
Lavīnas sabrukšanas procesā nejauši tiek izveidoti elektroni un caurumi, kas rada baltu troksni
Tas padara tos noderīgus saziņai un elektroniskajai karadarbībai.
Ātrgaitas komutācijas ierīces digitālajās shēmās
Digitālajās shēmās lavīnu diodes izmanto kā ātrgaitas slēdžus, kas var ieslēgties un izslēgties ļoti īsā laikā, ko sauc par pikosekundi.
Šī iemesla dēļ tos var izmantot, piemēram, ātrgaitas datu pārraidei un digitālo signālu apstrādei.
Augstas pastiprināšanas fotonu detektori optoelektroniskajās sistēmās
Lavīnu fotodiodes (APD) ir pusvadītāju ierīces, kas ir izveidotas, lai darbotos lavīnas sadalīšanās reģionā, kad diode absorbē fotonus.
APD izmanto optisko šķiedru sakaru sistēmās, lāzera attāluma noteikšanas sistēmās un citos vāja apgaismojuma līmeņa lietojumos kā augsta pastiprinājuma fotonu detektorus.
Sprieguma kritums lavīnu diodēs
Lavīnu diodes ir izstrādātas, lai izmantotu lavīnas efektu, tāpēc tām ir neliels, bet manāms sprieguma kritums, kad tās sabojājas.
No otras puses, Zenera diodes vienmēr uztur spriegumu virs vietas, kur tās sabojājas.
Lielākajai daļai lavīnu diožu sprieguma kritums ir no 1 līdz 2 voltiem.
Temperatūras sprieguma koeficients
Zenera diodēm ir mazs negatīvs sprieguma temperatūras koeficients, savukārt lavīnas diodēm ir neliels pozitīvs sprieguma temperatūras koeficients.
Tas nozīmē, ka, paaugstinoties temperatūrai, sprieguma kritums lavīnas diodē nedaudz palielināsies, savukārt Zenera diodes sprieguma kritums samazināsies, temperatūrai paaugstinoties.
Salīdzinājums ar citām diodēm
Lielākajai daļai Schottky diožu sprieguma kritums ir no 0,15 V līdz 0,45 V.
Tiešais spriegums silīcija diodēm ir 0,7 V, bet germānija diodēm tas ir 0,3 V.
Tā kā tiešā sprieguma kritums pāri silīcija diodei ir gandrīz nemainīgs (apmēram 0,7 v), savukārt strāva caur to mainās salīdzinoši lielos daudzumos, uz priekšu novirzītu silīcija diodi var izmantot kā pastāvīga sprieguma avotu.
Lavīnu diožu izmantošanas priekšrocības un trūkumi
Lavīnu diodēm ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajām diodēm. Tie kalpo ilgāk nekā lielākā daļa diožu, kas padara tos uzticamākus, ja tos izmanto noteiktās situācijās.
Lavīnas diodes pn savienojums ir paredzēts, lai novērstu strāvas koncentrāciju un no tā izrietošos karstos punktus, lai diode netiktu bojāta lavīnas efekta dēļ.
Priekšrocības
Lavīnu diodes ir noderīgas vairākās situācijās, piemēram, ķēžu aizsardzībā, trokšņa radīšanā un fotonu atrašanā.
Tiem ir augstāks jutības līmenis, augsta veiktspēja un ātrs reakcijas laiks, padarot tos ideāli piemērotus lietošanai šajās lietojumprogrammās.
Tie var arī aizsargāt ķēdes no sprieguma, kam nevajadzētu būt, tāpēc tie ir noderīgi elektroniskajās sistēmās.
Trūkumi
Bet ir dažas sliktas lietas, kas saistītas ar lavīnu diožu izmantošanu, par kurām jums vajadzētu padomāt.
Tie ietver vajadzību pēc daudz lielāka darba sprieguma, nelineāras izejas, ko izraisa lavīnas process, daudz augstāku trokšņa līmeni un nepieciešamību pēc lielas apgrieztās novirzes, lai darbotos.
Arī lavīnu diodes var nedarboties tik labi kā cita veida diodes, kas dažās situācijās var būt problēma.
Lai gan tām ir šīs problēmas, lavīnu diodes joprojām tiek plaši izmantotas noteiktās situācijās to darbības dēļ.
Lai gan tās var nebūt tik uzticamas kā cita veida diodes, tās ir noderīgas elektroniskajās sistēmās, jo ir jutīgas un ātri reaģē.
Atšķirība starp lavīnas diodi un PIN diodi
Lavīnu diodes un PIN diodes ir abi pusvadītāju diožu veidi, taču tie darbojas ļoti atšķirīgi.
Darba spriegums
Darbības spriegums ir liela atšķirība starp diviem veidiem.
Lavīnu diodes ir izveidotas, lai tās darbotos apgrieztā sadalījuma reģionā, kam nepieciešams lielāks spriegums nekā parastajam darbības reģionam.
No otras puses, PIN diodes darbojas virzienā uz priekšu, kur parasti ir nepieciešams mazāks spriegums.
Tātad, labāk ir teikt, ka lavīnas diodēm ir nepieciešams lielāks spriegums, lai sasniegtu lavīnu sadalījuma reģionu, nekā tas, ka tām ir nepieciešams augstāks darba spriegums.
Troksnis
Darbības dēļ lavīnu diodes var radīt lielāku troksni.
Bet šo trokšņa līmeni var pazemināt, pieliekot spriegumu pretējā virzienā, salīdzinot ar pārrāvuma spriegumu.
Savukārt PIN diodes parasti tiek izmantotas, jo tās rada mazāk trokšņa, taču tās tomēr var radīt zināmu troksni atkarībā no lietošanas veida.
Iekšējā struktūra
Lavīnu diodēm iekšpusē ir vieta, kur elektroni vairojas, kad no ārpuses tiek pielikts apgrieztais spriegums.
Tas padara iekšējo pastiprinājumu no 10 līdz 100 reizēm lielāku.
No otras puses, PIN diodēm ir iekšējais apgabals, kam ir lielāks izsīkuma apgabals un mazāka kapacitāte nekā standarta pn diodei.
Tas nozīmē, ka PIN diodes ir jutīgākas un reaģē ātrāk.
Sprieguma prasības
Lavīnu diodēm ir daudz augstāks reversās nobīdes spriegums, no 100 līdz 200 voltiem silīcijam.
Savukārt PIN diode darbojas ar zemu spriegumu un ir piemērota mazjaudas ierīcēm.
Kopumā lavīnu diodes un PIN diodes ir izgatavotas līdzīgi, taču to atšķirīgie darbības veidi nozīmē, ka tās tiek izmantotas dažādās situācijās.
Lavīnu diodes var izmantot ar augstu spriegumu, un optoelektroniskajās sistēmās tās var izmantot kā fotonu detektorus ar augstu pastiprinājumu.
No otras puses, PIN diodes ir labākas mazjaudas, augstas frekvences lietojumprogrammām, kurām nepieciešams gan zems trokšņa līmenis, gan liels ātrums.
Zema trokšņa līmeņa lavīnu diodes
Lavīnu fotodiodes ir pareizais nosaukums zema trokšņa līmeņa lavīnu diodēm (APD).
APD ir pusvadītāju fotodiožu detektori, kas izmanto fotoelektrisko efektu, lai pārvērstu gaismu elektrībā. Viņi ir ļoti jutīgi.
To augstā signāla un trokšņa attiecība (SNR), ātra reakcija uz laiku, zema tumšā strāva un augsta jutība izceļ tos.
APD pielietojumi
APD izmanto daudzām dažādām lietām, piemēram:
- Lāzera diapazona meklētāji.
- Fotonu korelācijas pētījumi.
- Sistēmas saziņai ar optisko šķiedru.
- Lidars.
- Skeneri PET jeb pozitronu emisijas tomogrāfijai.
Zema trokšņa līmeņa novirzes ķēde
APD pastiprinājumu kontrolē spriegums, kas tiek likts pāri krustojumam pretējā virzienā. Lai pastiprinājums būtu vienmērīgs un trokšņu līmenis būtu zems, šis spriegums ir rūpīgi jākontrolē.
Lai to izdarītu, APD nobīdes spriegumu var izveidot un kontrolēt ar zema trokšņa līmeņa nobīdes ķēdi. Šajā shēmā tiek izmantots PWM pastiprināšanas pārveidotājs ar fiksētu frekvenci un zemu trokšņa līmeni
Mikrokontrolleris, kas nolasa termistoru, kompensē temperatūru.
Pārmērīgs trokšņa faktors
Salīdzinot ar PIN fotodiodēm, APD ir vairāk trokšņa, jo lavīnas procesa statistika izraisa strāvas svārstības.
Pārmērīga trokšņa koeficients ir veids, kā aprēķināt, cik daudz trokšņaināks ir APD nekā ierobežota trokšņa detektoram.
Lavīnu fotodiodes
Ļoti jutīgs pusvadītāju fotodiodes detektors, lavīnas fotodiode (APD) izmanto fotoelektrisko efektu, lai pārvērstu gaismu elektrībā.
APD darbojas ar lielu reverso nobīdi, kas ļauj caurumiem un elektroniem, kas rodas, kad fotons vai gaisma tam ietriecas, vairoties kā lavīnām.
Tas ļauj vairākas reizes palielināt fotodiodes pastiprinājumu, piešķirot tai plašu jutības diapazonu.
Kā darbojas lavīnu reizināšanas process APD
Lavīnas process sākas, kad fotons tiek absorbēts un elektrons vai caurums tiek jonizēts, kad tie kaut kam atsitas.
Elektriskais lauks dod iegūtajiem nesējiem pietiekami daudz enerģijas, lai triecienjonizācijas rezultātā izveidotu sekundāros nesējus.
Šis process rada elektronu caurumu pāru plūdus, kas dod spēcīgāku signālu nekā tiešā absorbcija atsevišķi.
APD palielinājums ir vienāds ar lavīnas procesa radīto elektronu un caurumu kopskaita attiecību pret ierīces absorbēto fotonu skaitu.
Priekšrocības un trūkumi
Galvenā lavīnas fotodiodes priekšrocība ir tā, ka tā ir ļoti jutīga un var uztvert zema līmeņa signālus.
APD ir jutīgāks par citām pusvadītāju fotodiodēm, un to var izmantot vietās, kur citas fotodiodes var nesasniegt tādu pašu jutības līmeni.
Salīdzinot ar cita veida fotodiodēm, APD reaģē arī ātrāk un tam ir mazāka strāvas plūsma, kad to neizmanto.
Tomēr APD ir dažas problēmas.
- Viena no galvenajām APD problēmām ir tā, ka, salīdzinot ar citām fotodiodēm, tai ir nepieciešams lielāks spriegums, lai tas darbotos.
- Nesēja pavairošanas dēļ APD rada arī lielāku troksni, nekā vajadzētu.
- Izmantojot pareizos projektēšanas paņēmienus un ekspluatācijas apstākļus, var samazināt troksni.
- Visbeidzot, APD nav lineāras izejas, kas dažās situācijās var apgrūtināt tā lietošanu.
Lietošanas gadījumi
| Izmanto: | Apraksts: |
|---|---|
| Sprieguma regulatori | Lavīnu diodes var izmantot, lai kontrolētu spriegumu elektroniskajās shēmās, nodrošinot stabilu atsauces spriegumu. Tos var izmantot kā šunta regulatoru, lai uzturētu nemainīgu spriegumu visā ķēdē, vai kā sērijas regulatoru, lai saglabātu izejas spriegumu stabilu pat tad, ja mainās spriegums. |
| Impulsu ģeneratori | Lavīnu diodes var izmantot, lai impulsu ģeneratoros izveidotu īsus augsta sprieguma uzliesmojumus. Kad notiek sprieguma pieaugums, diode nonāk lavīnās un rada asu impulsu ar strauju pieauguma laiku. Tas ir noderīgi tādām lietām kā radars, kam nepieciešami augstas frekvences impulsi. |
| Mikroviļņu ierīces | IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) un TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) diodes izmanto lavīnu diodes. Šīs diodes izsūta augstfrekvences signālus mikroviļņu diapazonā. Šos signālus izmanto radaru sistēmās, satelītu sakaru sistēmās un citos augstfrekvences lietojumos. |
| Pārsprieguma aizsardzība | Lavīnu diodes var izmantot pārsprieguma aizsargos, lai aizsargātu elektroniskās ierīces no sprieguma lēcieniem un pārejošiem pārspriegumiem. Tie var nofiksēt spriegumu noteiktā līmenī un neļaut ierīci sabojāt augsta sprieguma dēļ. |
| RF pastiprinātāji | Radiofrekvences (RF) pastiprinātāji var izmantot lavīnu diodes, lai radītu lieljaudas RF signālus. Šajā gadījumā diode nonāk lavīnas pārrāvuma zonā, kā rezultātā strāva strauji palielinās un rada spēcīgu RF signālu. |
| Rentgena un gamma staru detektori | Lavīnu diodes var izmantot medicīniskajā attēlveidošanā un citās vietās kā rentgena un gamma staru detektorus. Fotonus ar lielu enerģiju uztver diode, kas izsūta strāvas impulsu, ko var izmantot starojuma enerģijas mērīšanai. |
Citi lietojumi:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Secinājums
Kad šis raksts tuvojas beigām, ir skaidrs, ka lavīnu diodes ir svarīgas daudzu elektronisko sistēmu sastāvdaļas.
Tā kā tie ir izgatavoti un ko tie spēj paveikt, tie ir noderīgi instrumenti jebkuram inženierim.
Taču, tāpat kā jebkurai citai tehnoloģijai, lavīnu diožu izmantošanai ir gan plusi, gan mīnusi, un ir svarīgi tos rūpīgi izsvērt jebkurā lietojumā.
Kā inženieri mēs vienmēr meklējam jaunākās un labākās tehnoloģijas, lai palīdzētu mums izstrādāt labākas sistēmas.
Bet ir svarīgi arī saglabāt paturiet prātā, ka elektronikas pamati pastāv jau ilgu laiku un mūsdienās ir tikpat svarīgi kā toreiz.
Tātad, neatkarīgi no tā, vai esat pieredzējis inženieris vai tikai sākat darbu, ir svarīgi zināt, kā mūsdienu elektronikā darbojas lavīnu diodes.
To darot, jūs varēsit labāk izstrādāt sistēmas, kas darbojas labi un ir uzticamas jūsu lietojumprogrammām.
Lai gan tehnoloģija mainās, elektronikas pamatnoteikumi paliek nemainīgi.
Kopīgot…
