Як інженер ви знаєте, наскільки важливі діоди для роботи електронних схем.
Але чи знаєте ви про лавинний діод? Лавинні діоди відрізняються від звичайних діодів, оскільки вони мають спеціальну функцію, яка дозволяє їм виконувати низку різних завдань у системах високої напруги.
Тож пристебніться та готуйтеся поринути у захоплюючий світ лавинних діодів!
Введення в лавинний діод
Формальне визначення:
Напівпровідниковий пробивний діод, зазвичай виготовлений із кремнію, в якому лавинний пробій відбувається по всьому pn-переходу, а падіння напруги є фактично постійним і не залежить від струму; двома найважливішими типами є діоди IMPATT і TRAPATT.
Лавинний діод — це тип напівпровідникового діода, який лавиноподібно руйнується при певній напрузі.
Коли напруга на діоді перевищує певне значення, відбувається лавинний пробій.
Будівництво
Стабілітрон і лавинний діод виготовлені однаково, але кількість легування в лавинному діоді відрізняється від такої в стабілітроні.
Перехід лавинного діода зроблено для того, щоб зупинити концентрацію струму та гарячі точки, які виникають від нього, щоб лавинний ефект не пошкодив діод.
Принцип роботи лавинного діода
Лавинні діоди створені для роботи в області зворотного пробою, де вони можуть пропускати великий струм без пошкодження.
Pn-перехід лавинного діода зроблений для зупинки концентрації струму та гарячих точок, які виникають від нього, так що лавинний ефект не завдає шкоди діоду.
Коли до лавинного діода прикладається напруга зворотного зміщення, він досягає напруги пробою і переходить в область лавинного пробою, де може нести великий струм без пошкодження.
Лавинний пробій відбувається, коли напруга на діоді перевищує певне значення, що призводить до швидкого зростання струму.
Лавинне розмноження створює більше вільних електронів та іонів, через що через пристрій протікає великий струм.
Типи лавинних діодів
Стабілітрон
Стабілітрон — це тип діода, який демонструє ефект пробою Зенера, коли напруга на діоді перевищує певний рівень.
Сильне електричне поле на діоді викликає ефект пробою Зенера, який є типом лавинного пробою.
Стабілітрон здебільшого використовується для контролю напруги, захисту від стрибків напруги та створення шуму.
Лавинний фотодіод
Лавинний фотодіод — це тип напівпровідникового діода, призначений для роботи в області лавинного пробою.
Його часто використовують як детектор фотонів із високим коефіцієнтом посилення в системах із слабким освітленням, наприклад у системах оптоволоконного зв’язку та пристроях для обробки зображень.
Коли фотони приймаються діодом, вони створюють електронно-діркові пари
Сильне електричне поле в діоді може пришвидшити ці електронно-діркові пари, викликаючи потік носіїв заряду.
Різниця між стабілітроном і лавинним пробоїм
Основна відмінність між ними полягає в тому, як відбуваються пробій стабілітрона та лавинний пробій.
Пробій стабілітрона відбувається, коли в області виснаження діода є сильне електричне поле
Лавинний пробій відбувається, коли вільні електрони потрапляють на атоми в діоді.
Кількість легування в діоді визначає напругу пробою Зенера, тоді як ширина області виснаження визначає напругу лавинного пробою.
Відео: ДІОДИ! Усі вони та як вони працюють
Порада: увімкніть кнопку субтитрів, якщо вона вам потрібна.
Застосування лавинних діодів
Пристрої захисту та регулятори напруги
У більшості випадків лавинні діоди використовуються для захисту чутливих електронних частин від пошкодження високою напругою або стрибками струму в електронних схемах.
Вони також можуть використовуватися для контролю напруги на навантаженні в ланцюгах, де вони працюють в області зворотного пробою.
Джерела шуму в радіочастотних і мікрохвильових колах
У радіочастотних і мікрохвильових схемах лавинні діоди часто використовуються як джерела шуму.
Під час процесу лавинного руйнування електрони та дірки утворюються випадковим чином, що створює білий шум
Це робить їх корисними для зв’язку та електронної боротьби.
Високошвидкісні комутаційні пристрої в цифрових схемах
У цифрових схемах лавинні діоди використовуються як високошвидкісні перемикачі, які можуть вмикатися та вимикатися за дуже короткий проміжок часу, який називається пікосекундою.
Завдяки цьому їх можна використовувати для таких речей, як високошвидкісна передача даних і цифрова обробка сигналів.
Детектори фотонів з високим коефіцієнтом посилення в оптоелектронних системах
Лавинні фотодіоди (APD) — це напівпровідникові пристрої, створені для роботи в області лавинного пробою, коли фотони поглинаються діодом.
APD використовуються у волоконно-оптичних системах зв’язку, лазерних системах визначення дальності та інших додатках із низьким рівнем освітлення як детектори фотонів із високим коефіцієнтом посилення.
Падіння напруги в лавинних діодах
Лавинні діоди розроблені для використання ефекту лавини, тому вони мають невелике, але помітне падіння напруги, коли вони ламаються.
Стабілітрони, з іншого боку, завжди підтримують напругу вище точки, де вони ламаються.
Більшість лавинних діодів мають падіння напруги від 1 до 2 вольт.
Температурний коефіцієнт напруги
Стабілітрони мають малий температурний коефіцієнт напруги, який є негативним, тоді як лавинні діоди мають малий температурний коефіцієнт напруги, який є позитивним.
Це означає, що з підвищенням температури падіння напруги на лавинному діоді трохи зросте, тоді як падіння напруги на стабілітроні зменшиться з підвищенням температури.
Порівняння з іншими діодами
Більшість діодів Шотткі мають падіння напруги від 0,15 В до 0,45 В.
Пряма напруга для кремнієвих діодів становить 0,7 В, а для германієвих діодів – 0,3 В.
Оскільки пряме падіння напруги на кремнієвому діоді є майже постійним і становить приблизно 0,7 В, тоді як струм, що проходить через нього, змінюється відносно великими величинами, кремнієвий діод із прямим зміщенням можна використовувати як джерело постійної напруги.
Переваги та недоліки використання лавинних діодів
Лавинні діоди мають ряд переваг перед звичайними діодами. Вони служать довше більшості діодів, що робить їх більш надійними при використанні в певних ситуаціях.
pn-перехід лавинного діода призначений для запобігання концентрації струму та виникнення гарячих точок, щоб діод не пошкодився лавинним ефектом.
Переваги
Лавинні діоди корисні в ряді ситуацій, таких як захист ланцюгів, створення шуму та пошук фотонів.
Вони демонструють вищий рівень чутливості, високу продуктивність і швидкий час відгуку, що робить їх ідеальними для використання в цих програмах.
Вони також можуть захистити схеми від напруги, якої там не повинно бути, що робить їх корисними в електронних системах.
Недоліки
Але є деякі погані сторони використання лавинних діодів, про які варто подумати.
До них належать потреба у значно вищій робочій напрузі, нелінійний вихід, викликаний лавинним процесом, набагато вищий рівень шуму та потреба у високому зворотному зміщенні для роботи.
Лавинні діоди також можуть не працювати так добре, як інші типи діодів, що може бути проблемою в деяких ситуаціях.
Незважаючи на ці проблеми, лавинні діоди все ще широко використовуються в певних ситуаціях через те, як вони працюють.
Незважаючи на те, що вони можуть бути не такими надійними, як інші типи діодів, вони корисні в електронних системах, оскільки вони чутливі та швидко реагують.
Різниця між лавинним діодом і PIN-діодом
Лавинні діоди та PIN-діоди є типами напівпровідникових діодів, але вони працюють по-різному.
Робоча напруга
Робоча напруга є великою різницею між двома типами.
Лавинні діоди призначені для роботи в області зворотного пробою, для якої потрібна більш висока напруга, ніж для нормальної робочої області.
PIN-діоди, з іншого боку, працюють в області прямого зміщення, яка зазвичай потребує меншої напруги.
Отже, краще сказати, що лавинним діодам потрібна більш висока напруга, щоб досягти області лавинного пробою, ніж те, що їм потрібна більш висока робоча напруга.
Шум
Через те, як вони працюють, лавинні діоди можуть створювати більше шуму.
Але цей рівень шуму можна знизити, прикладаючи напругу, протилежну до напруги пробою.
З іншого боку, зазвичай використовуються PIN-діоди, оскільки вони створюють менше шуму, але вони все одно можуть створювати певний шум залежно від того, як вони використовуються.
Внутрішня структура
Лавинні діоди мають місце всередині, де розмножуються електрони, коли ззовні прикладається зворотна напруга.
Це робить внутрішнє посилення від 10 до 100 разів більшим.
З іншого боку, PIN-діоди мають власну область, яка має більшу область виснаження та меншу ємність, ніж стандартний pn-діод.
Це означає, що PIN-діоди більш чутливі та швидше реагують.
Вимоги до напруги
Лавинні діоди мають напругу зворотного зміщення, яка набагато вища, від 100 до 200 вольт для кремнію.
PIN-діод, навпаки, працює при низькій напрузі і підходить для малопотужних пристроїв.
Загалом, лавинні діоди та діоди PIN виготовляються подібним чином, але їхні різні способи роботи означають, що вони використовуються в різних ситуаціях.
Лавинні діоди можна використовувати з високою напругою, а в оптоелектронних системах їх можна використовувати як детектори фотонів з високим коефіцієнтом посилення.
З іншого боку, PIN-діоди краще підходять для малопотужних високочастотних додатків, яким потрібен низький рівень шуму та висока швидкість.
Лавинні діоди з низьким рівнем шуму
Лавинні фотодіоди - правильна назва малошумних лавинних діодів (ЛАД).
APD — це напівпровідникові фотодіодні детектори, які використовують фотоелектричний ефект для перетворення світла на електрику. Вони дуже чутливі.
Їх високе відношення сигнал/шум (SNR), швидкий відгук, низький темновий струм і висока чутливість - ось що виділяє їх.
Застосування АПД
APD використовуються для багатьох різних речей, наприклад:
- Лазерні далекоміри.
- Дослідження кореляції фотонів.
- Системи зв'язку з волоконною оптикою.
- Лідар.
- Сканери для ПЕТ, або позитронно-емісійної томографії.
Схема зсуву з низьким рівнем шуму
Коефіцієнт посилення APD контролюється напругою, яка подається на перехід у протилежному напрямку. Щоб підтримувати постійне посилення та низький рівень шуму, цю напругу потрібно ретельно контролювати.
Для цього напруга зміщення для APD може бути створена та контрольована за допомогою малошумної схеми зміщення. У цій схемі використовується підвищувальний перетворювач ШІМ з фіксованою частотою та низьким рівнем шуму
Мікроконтролер, який зчитує терморезистор, компенсує температуру.
Надлишковий коефіцієнт шуму
У порівнянні з PIN-фотодіодами, APD мають більше шуму, оскільки статистика лавинного процесу викликає флуктуації струму.
Коефіцієнт надлишкового шуму — це спосіб обчислити, наскільки більше шуму має APD, ніж детектор з обмеженим постріловим шумом.
Лавинні фотодіоди
Високочутливий напівпровідниковий фотодіодний детектор, лавинний фотодіод (APD), використовує фотоелектричний ефект для перетворення світла на електрику.
APD працює з високим зворотним зміщенням, що дозволяє діркам і електронам, які утворюються, коли на них потрапляє фотон або світло, розмножуватися, як лавини.
Це дозволяє підвищити посилення фотодіода в кілька разів, забезпечуючи йому широкий діапазон чутливості.
Як працює процес лавинного множення в APD
Лавинний процес починається, коли фотон поглинається, а електрон або дірка іонізуються, коли вони стикаються з чимось.
Електричне поле дає отриманим носіям достатньо енергії для створення вторинних носіїв шляхом ударної іонізації.
Цей процес створює потоки електронно-діркових пар, що дає сильніший сигнал, ніж пряме поглинання.
Коефіцієнт посилення APD дорівнює відношенню загальної кількості електронів і дірок, утворених лавинним процесом, до кількості фотонів, поглинених пристроєм.
Переваги та недоліки
Основна перевага лавинного фотодіода полягає в тому, що він дуже чутливий і може вловлювати сигнали низького рівня.
APD є більш чутливим, ніж інші напівпровідникові фотодіоди, і його можна використовувати в місцях, де інші фотодіоди не можуть досягти такого ж рівня чутливості.
Порівняно з іншими типами фотодіодів, APD також реагує швидше та має менший струм, коли він не використовується.
Однак у APD є певні проблеми.
- Одна з головних проблем APD полягає в тому, що, порівняно з іншими фотодіодами, для роботи йому потрібна більш висока напруга.
- Через множення несучої APD також створюють більше шуму, ніж повинні.
- Використання правильних методів проектування та умов експлуатації може зменшити шум.
- Нарешті, APD не має лінійного виходу, що може ускладнити його використання в деяких ситуаціях.
Випадки використання
| Використовується в: | опис: |
|---|---|
| Регулятори напруги | Лавинні діоди можна використовувати для контролю напруги в електронних схемах, забезпечуючи стабільну опорну напругу. Їх можна використовувати як шунтовий стабілізатор, щоб підтримувати постійну напругу в ланцюзі, або як послідовний регулятор, щоб підтримувати вихідну напругу стабільною, навіть якщо напруга, що надходить, змінюється. |
| Генератори імпульсів | Лавинні діоди можна використовувати для створення коротких спалахів високої напруги в генераторах імпульсів. Коли відбувається стрибок напруги, діод переходить у лавинний пробій і створює різкий імпульс із швидким часом наростання. Це корисно для таких речей, як радар, якому потрібні імпульси з високою частотою. |
| Мікрохвильові прилади | Діоди IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time) і TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit) використовують лавинні діоди. Ці діоди надсилають високочастотні сигнали в мікрохвильовому діапазоні. Ці сигнали використовуються в радіолокаційних системах, системах супутникового зв’язку та інших високочастотних програмах. |
| Захист від перенапруги | Лавинні діоди можна використовувати в пристроях захисту від перенапруг для захисту електронних пристроїв від стрибків напруги та перехідних перенапруг. Вони можуть фіксувати напругу на певному рівні та захищати пристрій від пошкодження високою напругою. |
| Радіочастотні підсилювачі | Радіочастотні (РЧ) підсилювачі можуть використовувати лавинні діоди для створення потужних РЧ-сигналів. У цьому випадку діод потрапляє в область лавинного пробою, що призводить до швидкого зростання струму та створення сильного радіочастотного сигналу. |
| Детектори рентгенівського та гамма-випромінювання | Лавинні діоди можна використовувати в медичних візуалізаціях та в інших місцях як детектори рентгенівського та гамма-променів. Фотони з великою енергією вловлюються діодом, який посилає імпульс струму, який можна використовувати для вимірювання енергії випромінювання. |
Інше використання:
https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_diode
Висновок
Коли ця стаття підходить до кінця, стає зрозуміло, що лавинні діоди є важливими частинами багатьох електронних систем.
Завдяки тому, як вони зроблені та що вони можуть робити, вони є корисними інструментами для будь-якого інженера.
Але, як і будь-яка інша технологія, використання лавинних діодів має як плюси, так і мінуси, і важливо ретельно їх зважувати в будь-якому застосуванні.
Як інженери, ми завжди шукаємо новітню та найкращу технологію, яка допоможе нам проектувати кращі системи.
Але це також важливо зберегти пам’ятайте, що основи електроніки існують уже давно і сьогодні такі ж важливі, як і тоді.
Отже, незалежно від того, чи ви досвідчений інженер, чи тільки починаєте працювати, важливо знати, як працюють лавинні діоди в сучасній електроніці.
Роблячи це, ви зможете краще розробляти системи, які добре працюють і надійні для ваших програм.
Незважаючи на те, що технології змінюються, основні правила електроніки залишаються незмінними.
Поділіться на…
