Ako inžinier viete, aké dôležité sú diódy pre fungovanie elektronických obvodov.
Viete však o lavínovej dióde? Lavínové diódy sa líšia od bežných diód, pretože majú špeciálnu vlastnosť, ktorá im umožňuje vykonávať množstvo rôznych úloh vo vysokonapäťových aplikáciách.
Tak sa pripútajte a pripravte sa ponoriť sa do fascinujúceho sveta lavínových diód!
Úvod do Avalanche Diode
Formálna definícia:
Polovodičová prierazná dióda, zvyčajne vyrobená z kremíka, v ktorej dochádza k lavínovému rozpadu cez celý pn prechod a pokles napätia je potom v podstate konštantný a nezávislý od prúdu; dva najdôležitejšie typy sú diódy IMPATT a TRAPATT.
Lavínová dióda je typ polovodičovej diódy, ktorá sa pri určitom napätí rozpadne v lavíne.
Keď napätie na dióde prekročí určitú hodnotu, dôjde k lavínovému rozpadu.
Stavebníctvo
Zenerova dióda a lavínová dióda sú vyrobené rovnakým spôsobom, ale množstvo dopingu v lavínovej dióde je iné ako v Zenerovej dióde.
Spojenie lavínovej diódy je vyrobené tak, aby zastavilo koncentráciu prúdu a horúce miesta, ktoré z neho vychádzajú, takže lavínový efekt diódu nepoškodí.
Princíp činnosti lavínovej diódy
Lavínové diódy sú vyrobené tak, aby pracovali v oblasti spätného prierazu, kde môžu prenášať veľký prúd bez poškodenia.
Pn prechod lavínovej diódy je vyrobený tak, aby zastavil koncentráciu prúdu a horúce miesta, ktoré z neho pochádzajú, takže lavínový efekt diódu nepoškodí.
Keď sa na lavínovú diódu aplikuje spätné predpätie, dosiahne prierazné napätie a prejde do oblasti lavínového prierazu, kde môže prenášať veľký prúd bez poškodenia.
Lavínový rozpad nastáva, keď je napätie na dióde vyššie ako určitá hodnota, čo spôsobuje rýchle zvýšenie prúdu.
Lavínovým násobením vzniká viac voľných elektrónov a iónov, čo spôsobuje, že zariadením preteká veľké množstvo prúdu.
Typy lavínových diód
Zenerova dióda
Zenerova dióda je typ diódy, ktorý vykazuje Zenerov prierazný efekt, keď napätie na dióde prekročí určitú úroveň.
Vysoké elektrické pole cez diódu spôsobuje Zenerov prierazný efekt, čo je typ lavínového rozpadu.
Zenerova dióda sa väčšinou používa na reguláciu napätia, ochranu pred prepätím a vytváranie hluku.
Lavínová fotodióda
Lavínová fotodióda je typ polovodičovej diódy, ktorá je určená na prácu v oblasti lavínového rozpadu.
Často sa používa ako detektor fotónov s vysokým ziskom v aplikáciách so slabým osvetlením, ako sú komunikačné systémy z optických vlákien a zobrazovacie zariadenia.
Keď sú fotóny zachytené diódou, vytvárajú páry elektrón-diera
Vysoké elektrické pole v dióde potom môže urýchliť tieto páry elektrón-diera, čo spôsobí záplavu nosičov náboja.
Rozdiel medzi Zenerovým a Avalanche Breakdown
Spôsob, akým dochádza k poruche Zener a lavínovému rozpadu, je hlavným rozdielom medzi nimi.
Zenerov zlom nastáva, keď je cez oblasť vyčerpania diódy silné elektrické pole
Lavínový rozpad nastane, keď voľné elektróny zasiahnu atómy v dióde.
Množstvo dopingu v dióde určuje Zenerove prierazné napätie, zatiaľ čo šírka oblasti vyčerpania určuje prierazné napätie lavín.
Video: DIÓDY! Všetky druhy a ako fungujú
Tip: Ak potrebujete, zapnite tlačidlo titulkov.
Aplikácie lavínových diód
Ochranné zariadenia a regulátory napätia
Lavínové diódy sa väčšinou používajú na ochranu citlivých elektronických súčiastok pred poškodením vysokými napäťovými alebo prúdovými rázmi v elektronických obvodoch.
Môžu sa tiež použiť na riadenie napätia na záťaži v obvodoch, kde pracujú v oblasti spätného prierazu.
Zdroje hluku vo vysokofrekvenčných a mikrovlnných obvodoch
V RF a mikrovlnných obvodoch sa ako zdroje hluku často používajú lavínové diódy.
Počas procesu lavínového rozpadu sa elektróny a diery vytvárajú náhodne, čo vytvára biely šum
Vďaka tomu sú užitočné pre komunikáciu a elektronický boj.
Vysokorýchlostné spínacie zariadenia v digitálnych obvodoch
V digitálnych obvodoch sa lavínové diódy používajú ako vysokorýchlostné spínače, ktoré sa dokážu zapnúť a vypnúť vo veľmi krátkom čase, nazývanom pikosekunda.
Z tohto dôvodu môžu byť použité na veci, ako je vysokorýchlostný prenos dát a digitálne spracovanie signálu.
Fotónové detektory s vysokým ziskom v optoelektronických systémoch
Lavínové fotodiódy (APD) sú polovodičové zariadenia, ktoré sú vyrobené tak, aby fungovali v oblasti lavínového rozpadu, keď sú fotóny absorbované diódou.
APD sa používajú v komunikačných systémoch s optickými vláknami, laserových meracích systémoch a iných aplikáciách s nízkou úrovňou osvetlenia ako detektory fotónov s vysokým ziskom.
Pokles napätia v lavínových diódach
Lavínové diódy sú navrhnuté tak, aby využívali lavínový efekt, takže pri ich rozpade dochádza k malému, ale citeľnému poklesu napätia.
Zenerove diódy, na druhej strane, vždy udržujú napätie nad bodom, kde sa rozpadnú.
Väčšina lavínových diód má pokles napätia medzi 1 a 2 voltmi.
Teplotný súčiniteľ napätia
Zenerove diódy majú malý teplotný koeficient napätia, ktorý je záporný, zatiaľ čo Avalanche diódy majú malý teplotný koeficient napätia, ktorý je kladný.
To znamená, že keď teplota stúpa, pokles napätia v lavínovej dióde sa mierne zvýši, zatiaľ čo pokles napätia v Zenerovej dióde sa zníži, keď teplota stúpa.
Porovnanie s inými diódami
Väčšina Schottkyho diód má pokles napätia medzi 0,15 V a 0,45 V.
Priepustné napätie pre kremíkové diódy je 0,7 V a pre germániové diódy je to 0,3 V.
Pretože dopredný pokles napätia na kremíkovej dióde je takmer konštantný približne 0,7 V, zatiaľ čo prúd cez ňu sa mení o relatívne veľké množstvá, ako zdroj konštantného napätia možno použiť kremíkovú diódu s predpätím.
Výhody a nevýhody použitia lavínových diód
Lavínové diódy majú oproti bežným diódam niekoľko výhod. Vydržia dlhšie ako väčšina diód, vďaka čomu sú pri použití v určitých situáciách spoľahlivejšie.
Pn prechod lavínovej diódy je navrhnutý tak, aby zabránil koncentrácii prúdu a výsledným horúcim miestam, takže dióda nie je lavínovým efektom poškodená.
Výhody
Lavínové diódy sú užitočné v mnohých situáciách, ako je ochrana obvodov, vytváranie hluku a hľadanie fotónov.
Vykazujú vyššiu úroveň citlivosti, vysoký výkon a rýchlu odozvu, vďaka čomu sú ideálne na použitie v týchto aplikáciách.
Môžu tiež chrániť obvody pred napätiami, ktoré by tam nemali byť, čo ich robí užitočnými v elektronických systémoch.
Nevýhody
Existuje však niekoľko zlých vecí o používaní lavínových diód, na ktoré by ste mali myslieť.
Medzi ne patrí potreba oveľa vyššieho prevádzkového napätia, nelineárny výstup spôsobený lavínovým procesom, oveľa vyššia hladina hluku a potreba vysokej spätnej odchýlky, aby fungoval.
Lavínové diódy tiež nemusia fungovať tak dobre ako iné typy diód, čo môže byť v niektorých situáciách problém.
Aj keď majú tieto problémy, lavínové diódy sú stále široko používané v určitých situáciách kvôli tomu, ako fungujú.
Aj keď nemusia byť také spoľahlivé ako iné typy diód, sú užitočné v elektronických systémoch, pretože sú citlivé a rýchlo reagujú.
Rozdiel medzi Avalanche Diode a PIN Diode
Lavínové diódy a PIN diódy sú oba typy polovodičových diód, ale fungujú veľmi odlišným spôsobom.
Prevádzkové napätie
Prevádzkové napätie je veľký rozdiel medzi týmito dvoma typmi.
Lavínové diódy sú vyrobené tak, aby pracovali v oblasti spätného prierazu, ktorá potrebuje vyššie napätie ako normálna prevádzková oblasť.
PIN diódy, na druhej strane, pracujú v dopredu predpojatej oblasti, ktorá zvyčajne potrebuje menšie napätie.
Takže je lepšie povedať, že lavínové diódy potrebujú vyššie napätie, aby dosiahli oblasť lavínového prierazu, než že potrebujú vyššie prevádzkové napätie.
Hluk
Vďaka tomu, ako fungujú, môžu lavínové diódy vydávať väčší hluk.
Ale táto hladina hluku môže byť znížená privedením napätia v opačnom smere ako je prierazné napätie.
Na druhej strane PIN diódy sa zvyčajne používajú, pretože vytvárajú menej hluku, ale stále môžu vydávať určitý hluk v závislosti od toho, ako sa používajú.
Vnútorná štruktúra
Lavínové diódy majú vo vnútri miesto, kde sa množia elektróny, keď je zvonka privedené spätné napätie.
Vďaka tomu je vnútorné zosilnenie 10 až 100-krát väčšie.
Na druhej strane, PIN diódy majú vnútornú oblasť, ktorá má väčšiu oblasť vyčerpania a menšiu kapacitu ako štandardná pn dióda.
To znamená, že PIN diódy sú citlivejšie a reagujú rýchlejšie.
Požiadavky na napätie
Lavínové diódy majú spätné predpätie, ktoré je oveľa vyššie, medzi 100 a 200 voltmi pre kremík.
PIN dióda na druhej strane pracuje pri nízkom napätí a je vhodná pre zariadenia s nízkou spotrebou.
Celkovo sú lavínové diódy a PIN diódy vyrobené podobným spôsobom, ale ich odlišný spôsob práce znamená, že sa používajú v rôznych situáciách.
Lavínové diódy môžu byť použité s vysokým napätím a v optoelektronických systémoch môžu byť použité ako detektory fotónov s vysokým ziskom.
Na druhej strane sú PIN diódy lepšie pre nízkoenergetické a vysokofrekvenčné aplikácie, ktoré potrebujú nízku hlučnosť a vysokú rýchlosť.
Nízkošumové lavínové diódy
Lavínové fotodiódy sú správny názov pre nízkošumové lavínové diódy (APD).
APD sú polovodičové fotodiódové detektory, ktoré využívajú fotoelektrický efekt na premenu svetla na elektrinu. Sú veľmi citlivé.
Vďaka ich vysokému odstupu signálu od šumu (SNR), rýchlej časovej odozve, nízkemu tmavému prúdu a vysokej citlivosti vynikajú.
Aplikácie APD
APD sa používajú na mnoho rôznych vecí, ako napríklad:
- Laserové diaľkomery.
- Štúdie fotónovej korelácie.
- Systémy na komunikáciu s optickými vláknami.
- Lidar.
- Skenery pre PET alebo pozitrónovú emisnú tomografiu.
Obvod s nízkou hlučnosťou
Zisk APD je riadený napätím, ktoré je privedené cez križovatku v opačnom smere. Na udržanie stabilného zisku a nízkej hladiny hluku je potrebné toto napätie starostlivo kontrolovať.
Na tento účel môže byť predpätie pre APD vytvorené a riadené nízkošumovým predpínacím obvodom. Tento obvod využíva zosilňovací menič PWM s pevnou frekvenciou a nízkou hlučnosťou
Mikrokontrolér, ktorý číta termistor, kompenzuje teplotu.
Faktor nadmerného hluku
V porovnaní s PIN fotodiódami majú APD väčší šum, pretože štatistika lavínového procesu spôsobuje kolísanie prúdu.
Faktor nadmerného šumu je spôsob, ako vypočítať, o koľko viac hluku má APD ako detektor s obmedzeným hlukom výstrelu.
Lavínové fotodiódy
Vysoko citlivý polovodičový fotodiódový detektor, lavínová fotodióda (APD), využíva fotoelektrický efekt na premenu svetla na elektrinu.
APD pracuje s vysokou spätnou odchýlkou, ktorá umožňuje, aby sa diery a elektróny vytvorené pri dopade fotónu alebo svetla množili ako lavíny.
To umožňuje niekoľkokrát zvýšiť zisk fotodiódy, čo jej dáva široký rozsah citlivosti.
Ako funguje proces lavínového násobenia v APD
Lavínový proces začína, keď je fotón absorbovaný a elektrón alebo diera sú ionizované, keď na niečo narazia.
Elektrické pole dáva výsledným nosičom dostatok energie na vytvorenie sekundárnych nosičov prostredníctvom nárazovej ionizácie.
Tento proces vytvára záplavu párov elektrón-diera, čo dáva silnejší signál ako samotná priama absorpcia.
Zisk APD sa rovná pomeru celkového počtu elektrónov a dier vytvorených lavínovým procesom k počtu fotónov absorbovaných zariadením.
Výhody a nevýhody
Hlavnou výhodou lavínovej fotodiódy je, že je veľmi citlivá a dokáže zachytiť signály nízkej úrovne.
APD je citlivejšia ako iné polovodičové fotodiódy a môže sa použiť na miestach, kde iné fotodiódy nemusia byť schopné dosiahnuť rovnakú úroveň citlivosti.
V porovnaní s inými typmi fotodiód APD tiež reaguje rýchlejšie a má menší prietok prúdu, keď sa nepoužíva.
APD však majú určité problémy.
- Jedným z hlavných problémov s APD je, že v porovnaní s inými fotodiódami potrebuje na svoju činnosť vyššie napätie.
- V dôsledku násobenia nosiča vytvárajú APD viac hluku, ako by mali.
- Použitie správnych konštrukčných techník a prevádzkových podmienok môže znížiť hluk.
- Napokon, APD nemá lineárny výstup, čo môže v niektorých situáciách sťažiť jeho použitie.
Prípady použitia
| Použité v: | Popis: |
|---|---|
| Regulátory napätia | Lavínové diódy možno použiť na riadenie napätia v elektronických obvodoch poskytovaním stabilného referenčného napätia. Môžu byť použité ako bočníkový regulátor na udržanie konštantného napätia v obvode alebo ako sériový regulátor na udržanie stabilného výstupného napätia, aj keď sa napätie mení. |
| Generátory impulzov | Lavínové diódy možno použiť na vytváranie krátkych impulzov vysokého napätia v generátoroch impulzov. Keď dôjde k napäťovej špičke, dióda prejde do lavínového rozpadu a vytvorí ostrý impulz s rýchlym nárastom. To je užitočné pre veci, ako je radar, ktorý potrebuje impulzy s vysokou frekvenciou. |
| Mikrovlnné zariadenia | Diódy IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) a TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) využívajú lavínové diódy. Tieto diódy vysielajú vysokofrekvenčné signály v mikrovlnnom rozsahu. Tieto signály sa používajú v radarových systémoch, satelitných komunikačných systémoch a iných vysokofrekvenčných aplikáciách. |
| Ochrana proti prepätiu | Lavínové diódy môžu byť použité v prepäťových chráničoch na ochranu elektronických zariadení pred napäťovými špičkami a prechodnými prepätiami. Môžu zovrieť napätie na určitej úrovni a zabrániť poškodeniu zariadenia vysokým napätím. |
| RF zosilňovače | Rádiofrekvenčné (RF) zosilňovače môžu používať lavínové diódy na vytváranie vysoko výkonných RF signálov. V tomto prípade sa dióda dostane do oblasti lavínového rozpadu, čo spôsobí rýchle zvýšenie prúdu a vytvorenie silného RF signálu. |
| Röntgenové a gama detektory | Lavínové diódy môžu byť použité v medicínskom zobrazovaní a na iných miestach ako detektory röntgenového a gama žiarenia. Dióda zachytí fotóny s veľkou energiou, ktorá vyšle impulz prúdu, ktorý možno použiť na meranie energie žiarenia. |
Iné použitia:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Záver
Keď sa tento článok chýli ku koncu, je jasné, že lavínové diódy sú dôležitou súčasťou mnohých elektronických systémov.
Vďaka tomu, ako sú vyrobené a čo dokážu, sú užitočnými nástrojmi pre každého inžiniera.
Ale ako každá iná technológia, aj používanie lavínových diód má svoje klady aj zápory a pri každej aplikácii je dôležité ich starostlivo zvážiť.
Ako inžinieri vždy hľadáme najnovšiu a najlepšiu technológiu, ktorá nám pomôže navrhnúť lepšie systémy.
Dôležité je však aj dodržať uvedomte si, že základy elektroniky sú tu už dlho a sú dnes rovnako dôležité ako vtedy.
Či už ste skúsený inžinier alebo len začínate, je dôležité vedieť, ako fungujú lavínové diódy v modernej elektronike.
Vďaka tomu budete môcť lepšie navrhovať systémy, ktoré fungujú dobre a sú spoľahlivé pre vaše aplikácie.
Aj keď sa technológie menia, základné pravidlá elektroniky zostávajú rovnaké.
Zdieľať na…
