Kot inženir veste, kako pomembne so diode za delovanje elektronskih vezij.
A veš za lavinsko diodo? Lavinske diode se razlikujejo od navadnih diod, ker imajo posebno funkcijo, ki jim omogoča opravljanje številnih različnih nalog v visokonapetostnih aplikacijah.
Zato se pripnite in pripravite, da se potopite v fascinanten svet lavinskih diod!
Uvod v lavinsko diodo
Formalna opredelitev:
Polprevodniška prebojna dioda, običajno izdelana iz silicija, pri kateri pride do plazovite preboje čez celoten pn spoj in je padec napetosti potem v bistvu konstanten in neodvisen od toka; dva najpomembnejša tipa sta diode IMPATT in TRAPATT.
Lavinska dioda je vrsta polprevodniške diode, ki je narejena tako, da se pri določeni napetosti razbije v plazu.
Ko napetost na diodi preseže določeno vrednost, pride do plazovite okvare.
Gradnja
Zenerjeva dioda in lavinska dioda sta izdelani na enak način, vendar se količina dopinga v lavinski diodi razlikuje od tiste v Zenerjevi diodi.
Spoj lavinske diode je narejen tako, da zaustavi koncentracijo toka in vroče točke, ki prihajajo iz nje, tako da lavinski učinek ne poškoduje diode.
Načelo delovanja lavinske diode
Lavinske diode so narejene tako, da delujejo v območju povratne razgradnje, kjer lahko prenašajo velik tok, ne da bi se poškodovale.
Pn spoj lavinske diode je narejen tako, da zaustavi koncentracijo toka in vroče točke, ki prihajajo iz njega, tako da lavinski učinek ne poškoduje diode.
Ko se na lavinsko diodo uporabi povratna prednapetost, ta doseže prebojno napetost in preide v območje lavinskega razpada, kjer lahko prenaša velik tok, ne da bi se poškodovala.
Lavinski izpad se zgodi, ko je napetost na diodi višja od določene vrednosti, zaradi česar tok hitro narašča.
Lavinsko razmnoževanje naredi več prostih elektronov in ionov, kar povzroči, da skozi napravo teče velika količina toka.
Vrste lavinskih diod
Zenerjeva dioda
Zenerjeva dioda je vrsta diode, ki kaže učinek Zenerjeve razgradnje, ko napetost na diodi preseže določeno raven.
Visoko električno polje na diodi povzroči učinek Zenerjevega razpada, ki je vrsta plazovitega razpada.
Zener dioda se večinoma uporablja za nadzor napetosti, zaščito pred prenapetostmi in ustvarjanje hrupa.
Lavinska fotodioda
Lavinska fotodioda je vrsta polprevodniške diode, ki je narejena za delovanje v območju lavinskega preboja.
Pogosto se uporablja kot detektor fotonov z visokim ojačenjem v aplikacijah pri šibki svetlobi, kot so komunikacijski sistemi z optičnimi vlakni in slikovne naprave.
Ko fotone sprejme dioda, ustvarijo pare elektron-luknja
Visoko električno polje v diodi lahko nato pospeši te pare elektron-luknja, kar povzroči poplavo nosilcev naboja.
Razlika med Zenerjem in Avalanche Breakdown
Način, kako pride do razpada Zenerja in plazovnega razpada, je glavna razlika med obema.
Zenerjev razpad se zgodi, ko obstaja močno električno polje v območju izčrpanosti diode
Lavinski razpad se zgodi, ko prosti elektroni zadenejo atome v diodi.
Količina dopinga v diodi določa Zenerjevo prebojno napetost, medtem ko širina območja izčrpavanja določa lavinsko prebojno napetost.
Video: DIODES! Vse vrste in kako delujejo
Nasvet: Vklopite gumb za napise, če ga potrebujete.
Uporaba lavinskih diod
Zaščitne naprave in regulatorji napetosti
Večino časa se lavinske diode uporabljajo za zaščito občutljivih elektronskih delov pred poškodbami zaradi visoke napetosti ali tokovnih sunkov v elektronskih vezjih.
Uporabljajo se lahko tudi za krmiljenje napetosti na obremenitvi v tokokrogih, kjer delujejo v območju povratne razgradnje.
Viri šuma v RF in mikrovalovnih vezjih
V RF in mikrovalovnih vezjih se lavinske diode pogosto uporabljajo kot viri šuma.
Med postopkom razgradnje plazu naključno nastajajo elektroni in luknje, kar povzroča beli šum
Zaradi tega so uporabni za komunikacijo in elektronsko bojevanje.
Preklopne naprave za visoke hitrosti v digitalnih vezjih
V digitalnih vezjih se lavinske diode uporabljajo kot hitra stikala, ki se lahko vklopijo in izklopijo v zelo kratkem času, imenovanem pikosekunda.
Zaradi tega jih je mogoče uporabiti za stvari, kot sta hitri prenos podatkov in digitalna obdelava signalov.
Fotonski detektorji z visokim ojačenjem v optoelektronskih sistemih
Lavinske fotodiode (APD) so polprevodniške naprave, ki delujejo v območju lavinskega razpada, ko dioda absorbira fotone.
APD-ji se uporabljajo v komunikacijskih sistemih z optičnimi vlakni, laserskih sistemih za določanje razdalje in drugih aplikacijah pri nizki ravni svetlobe kot detektorji fotonov z visokim ojačenjem.
Padec napetosti v lavinskih diodah
Lavinske diode so zasnovane tako, da izkoristijo lavinski učinek, zato imajo ob okvari majhen, a opazen padec napetosti.
Zener diode pa vedno ohranjajo napetost nad točko, kjer se pokvarijo.
Večina lavinskih diod ima padec napetosti med 1 in 2 volta.
Temperaturni koeficient napetosti
Zener diode imajo majhen temperaturni koeficient napetosti, ki je negativen, medtem ko imajo lavinske diode majhen temperaturni koeficient napetosti, ki je pozitiven.
To pomeni, da ko se temperatura dvigne, se bo padec napetosti v plazoviti diodi rahlo povečal, medtem ko se bo padec napetosti v Zener diodi zmanjšal, ko se temperatura dvigne.
Primerjava z drugimi diodami
Večina Schottky diod ima padec napetosti med 0,15 V in 0,45 V.
Predhodna napetost za silicijeve diode je 0,7 V, za germanijeve diode pa 0,3 V.
Ker je padec napetosti naprej na silicijevi diodi skoraj konstanten pri približno 0,7 V, medtem ko se tok skozi njo spreminja za relativno velike količine, se lahko silicijeva dioda, usmerjena naprej, uporablja kot vir konstantne napetosti.
Prednosti in slabosti uporabe lavinskih diod
Lavinske diode imajo več prednosti pred običajnimi diodami. Živijo dlje kot večina diod, zaradi česar so bolj zanesljive pri uporabi v določenih situacijah.
Spoj pn lavinske diode je zasnovan tako, da prepreči koncentracijo toka in posledične vroče točke, tako da dioda ni poškodovana zaradi lavinskega učinka.
Prednosti
Lavinske diode so uporabne v številnih situacijah, kot so zaščita tokokrogov, povzročanje hrupa in iskanje fotonov.
Izkazujejo večjo stopnjo občutljivosti, visoko zmogljivost in hiter odzivni čas, zaradi česar so idealni za uporabo v teh aplikacijah.
Prav tako lahko zaščitijo tokokroge pred napetostmi, ki jih ne bi smelo biti, zaradi česar so uporabni v elektronskih sistemih.
Slabosti
Toda pri uporabi lavinskih diod je nekaj slabih stvari, na katere bi morali pomisliti.
Ti vključujejo potrebo po veliko višji obratovalni napetosti, nelinearni izhod, ki ga povzroči plazovni proces, veliko višjo raven hrupa in potrebo po visoki povratni prednapetosti za delovanje.
Lavinske diode morda tudi ne bodo delovale tako dobro kot druge vrste diod, kar je lahko v nekaterih situacijah težava.
Čeprav imajo te težave, se lavinske diode še vedno pogosto uporabljajo v določenih situacijah zaradi njihovega delovanja.
Čeprav morda niso tako zanesljive kot druge vrste diod, so uporabne v elektronskih sistemih, ker so občutljive in se hitro odzivajo.
Razlika med lavinsko diodo in diodo PIN
Lavinske diode in diode PIN sta obe vrsti polprevodniških diod, vendar delujeta na zelo različne načine.
Delovna napetost
Delovna napetost je velika razlika med obema vrstama.
Lavinske diode so narejene tako, da delujejo v območju povratne razgradnje, ki potrebuje višjo napetost kot normalno delovno območje.
Po drugi strani pa diode PIN delujejo v predstranskem območju, ki običajno potrebuje manj napetosti.
Torej je bolje reči, da lavinske diode potrebujejo višjo napetost, da dosežejo območje lavinskega razpada, kot da potrebujejo višjo delovno napetost.
Hrup
Lavinske diode lahko zaradi svojega delovanja povzročajo več hrupa.
Toda to raven hrupa je mogoče znižati z uporabo napetosti v nasprotni smeri prebojne napetosti.
Po drugi strani pa se običajno uporabljajo diode PIN, ker povzročajo manj hrupa, vendar lahko kljub temu povzročijo nekaj hrupa, odvisno od načina uporabe.
Notranja struktura
Lavinske diode imajo prostor v notranjosti, kjer se elektroni pomnožijo, ko je od zunaj uporabljena obratna napetost.
Zaradi tega je notranje ojačanje med 10- do 100-krat večje.
Po drugi strani pa imajo diode PIN intrinzično območje, ki ima večje območje izčrpavanja in manjšo kapacitivnost kot standardna dioda pn.
To pomeni, da so PIN diode bolj občutljive in se hitreje odzivajo.
Napetostne zahteve
Lavinske diode imajo povratno prednapetost, ki je veliko višja, med 100 in 200 volti za silicij.
PIN dioda na drugi strani deluje pri nizki napetosti in je dobra za naprave z nizko porabo energije.
Na splošno so lavinske diode in diode PIN izdelane na podoben način, vendar njihov različni načini delovanja pomenijo, da se uporabljajo v različnih situacijah.
Lavinske diode je mogoče uporabiti pri visokih napetostih, v optoelektronskih sistemih pa jih je mogoče uporabiti kot detektorje fotonov z visokim ojačenjem.
Po drugi strani pa so diode PIN boljše za aplikacije z nizko porabo energije in visoko frekvenco, ki potrebujejo nizek šum in visoko hitrost.
Nizkošumne lavinske diode
Lavinske fotodiode so pravilno ime za nizkošumne lavinske diode (APD).
APD so polprevodniški fotodiodni detektorji, ki uporabljajo fotoelektrični učinek za pretvorbo svetlobe v elektriko. So zelo občutljivi.
Njihovo visoko razmerje med signalom in šumom (SNR), hiter odziv, nizek temni tok in visoka občutljivost so tisto, po čemer izstopajo.
Uporaba APD-jev
APD se uporabljajo za veliko različnih stvari, kot so:
- Laserski daljinomeri.
- Študije fotonske korelacije.
- Sistemi za komuniciranje z optičnimi vlakni.
- Lidar.
- Skenerji za PET ali pozitronsko emisijsko tomografijo.
Nizkošumno pristransko vezje
Ojačitev APD je nadzorovana z napetostjo, ki je na stičišču v nasprotni smeri. Da bi ojačenje ostalo enakomerno in raven hrupa nizka, je treba to napetost skrbno nadzorovati.
Da bi to naredili, je mogoče prednapetost za APD ustvariti in krmiliti z nizkošumnim prednapetostnim vezjem. To vezje uporablja ojačevalni pretvornik PWM s fiksno frekvenco in nizkim šumom
Mikrokrmilnik, ki bere termistor, kompenzira temperaturo.
Presežni faktor hrupa
V primerjavi s fotodiodami PIN imajo APD več šuma, ker statistika lavinskega procesa povzroča nihanje toka.
Faktor presežnega hrupa je način za izračun, koliko več hrupa ima APD kot detektor z omejenim hrupom strele.
Lavinske fotodiode
Zelo občutljiv polprevodniški fotodiodni detektor, lavinska fotodioda (APD), uporablja fotoelektrični učinek za pretvorbo svetlobe v elektriko.
APD deluje z visoko povratno pristranskostjo, ki omogoča, da se luknje in elektroni, ki nastanejo, ko vanj zadene foton ali svetloba, množijo kot plazovi.
To omogoča večkratno povečanje ojačanja fotodiode, kar ji daje širok razpon občutljivosti.
Kako deluje proces množitve plazov v APD-jih
Lavinski proces se začne, ko se foton absorbira, elektron ali luknja pa se ionizira, ko nekaj zadeneta.
Električno polje daje nastalim nosilcem dovolj energije, da z udarno ionizacijo tvorijo sekundarne nosilce.
Ta proces povzroči poplavo parov elektron-luknja, kar daje močnejši signal kot sama neposredna absorpcija.
Ojačanje APD je enako razmerju med skupnim številom elektronov in lukenj, ki jih ustvari lavinski proces, in številom fotonov, ki jih absorbira naprava.
Prednosti in slabosti
Glavna prednost lavinske fotodiode je, da je zelo občutljiva in lahko zajame signale nizke ravni.
APD je bolj občutljiv kot druge polprevodniške fotodiode in se lahko uporablja tam, kjer druge fotodiode morda ne bodo mogle doseči enake stopnje občutljivosti.
V primerjavi z drugimi vrstami fotodiod se APD tudi hitreje odziva in ima manjši tokovni tok, ko se ne uporablja.
APD-ji pa imajo nekaj težav.
- Ena od glavnih težav z APD je, da v primerjavi z drugimi fotodiodami potrebuje višjo napetost za delovanje.
- Zaradi množenja nosilcev povzročajo tudi APD več šuma, kot bi smeli.
- Z uporabo pravih tehnik načrtovanja in pogojev delovanja lahko zmanjšate hrup.
- Nazadnje, APD nima linearnega izhoda, kar lahko oteži uporabo v nekaterih situacijah.
Primeri uporabe
| Uporablja se v: | Opis: |
|---|---|
| Regulatorji napetosti | Lavinske diode se lahko uporabljajo za nadzor napetosti v elektronskih vezjih z zagotavljanjem stabilne referenčne napetosti. Uporabljajo se lahko kot shunt regulator za ohranjanje konstantne napetosti v tokokrogu ali kot serijski regulator za stabilno izhodno napetost, tudi če se prihajajoča napetost spremeni. |
| Generatorji impulzov | Lavinske diode se lahko uporabljajo za ustvarjanje kratkih izbruhov visoke napetosti v impulznih generatorjih. Ko pride do napetostnega skoka, gre dioda v plazoviti razpad in povzroči oster impulz s hitrim časom vzpona. To je uporabno za stvari, kot je radar, ki potrebuje impulze z visoko frekvenco. |
| Mikrovalovne naprave | Diode IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) in TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) uporabljajo lavinske diode. Te diode oddajajo visokofrekvenčne signale v mikrovalovnem območju. Ti signali se uporabljajo v radarskih sistemih, satelitskih komunikacijskih sistemih in drugih visokofrekvenčnih aplikacijah. |
| Prenapetostna zaščita | Lavinske diode se lahko uporabljajo v prenapetostnih zaščitah za zaščito elektronskih naprav pred napetostnimi skoki in prehodnimi prenapetostmi. Napetost lahko omejijo na določeno raven in zaščitijo napravo pred poškodbami zaradi visoke napetosti. |
| RF ojačevalniki | Radiofrekvenčni (RF) ojačevalniki lahko uporabljajo lavinske diode za ustvarjanje RF signalov visoke moči. V tem primeru gre dioda v območje lavinskega razpada, kar povzroči hiter porast toka in ustvarja močan RF signal. |
| Detektorji rentgenskih in gama žarkov | Lavinske diode se lahko uporabljajo v medicinskem slikanju in na drugih mestih kot detektorji rentgenskih žarkov in gama žarkov. Fotone z veliko energije pobere dioda, ki pošlje impulz toka, ki se lahko uporabi za merjenje energije sevanja. |
Druge uporabe:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Zaključek
Ko se ta članek bliža koncu, je jasno, da so lavinske diode pomembni deli mnogih elektronskih sistemov.
Zaradi tega, kako so narejeni in kaj zmorejo, so uporabna orodja za vsakega inženirja.
Vendar ima, tako kot katera koli druga tehnologija, tudi uporaba lavinskih diod prednosti in slabosti, ki jih je pomembno skrbno pretehtati pri vsaki aplikaciji.
Kot inženirji vedno iščemo najnovejšo in najboljšo tehnologijo, ki nam pomaga oblikovati boljše sisteme.
Pomembno pa je tudi ohraniti upoštevajte, da so osnove elektronike prisotne že dolgo in so danes enako pomembne kot nekoč.
Torej, ne glede na to, ali ste izkušen inženir ali šele začnete, je pomembno vedeti, kako delujejo lavinske diode v sodobni elektroniki.
S tem boste bolje oblikovali sisteme, ki dobro delujejo in so zanesljivi za vaše aplikacije.
Čeprav se tehnologija spreminja, osnovna pravila elektronike ostajajo enaka.
Delite na...
