Avalanche Diode – Dioda lawinowa

Avalanche Diode – Dioda lawinowa

Dioda lawinowa, znana również jako avalanche diode, to specjalistyczny element półprzewodnikowy, który wykorzystuje zjawisko lawinowego przebicia do ochrony układów elektronicznych lub generowania sygnałów o wysokiej częstotliwości. Dziś wyjaśnię Ci dokładnie, jak działa ta dioda, jakie ma zastosowania i dlaczego jest tak istotna w obwodach wysokiego napięcia oraz w układach zabezpieczeń. Zrozumienie zjawiska lawinowego jest niezbędne również do pojęcia działania innych elementów półprzewodnikowych, które często spotykasz w elektronice.

Zasada działania diody lawinowej

Dioda lawinowa pracuje w tzw. trybie przebicia lawinowego (avalanche breakdown). Gdy napięcie wsteczne przekroczy określoną wartość progową, dochodzi do gwałtownego wzrostu prądu. Ten wzrost wynika z tzw. zjawiska lawiny elektronowej – wolne elektrony przyspieszone polem elektrycznym zderzają się z atomami półprzewodnika, tworząc kolejne pary elektron-dziura, co powoduje gwałtowne zwiększenie liczby nośników ładunku. W efekcie prąd lawinowy szybko rośnie, ale dzięki konstrukcji diody jest kontrolowany i nie dochodzi do trwałego uszkodzenia elementu.

Budowa i charakterystyka

Dioda lawinowa jest zbudowana podobnie do zwykłej diody krzemowej, jednak jej warstwa złącza PN jest specjalnie projektowana, aby wytrzymać wysokie napięcia i pracować stabilnie w obszarze przebicia. Charakterystyka prądowo-napięciowa (I-V) diody lawinowej pokazuje gwałtowny wzrost prądu przy napięciu przebicia, a następnie utrzymanie tego prądu na stabilnym poziomie.

Zastosowania diody lawinowej

• Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe: diody lawinowe chronią obwody przed nagłymi przepięciami, np. wyładowaniami atmosferycznymi czy skokami napięcia w instalacjach.
• Generatory impulsów wysokiej częstotliwości: w układach mikrofalowych wykorzystuje się diody lawinowe jako elementy oscylacyjne.
• Regulacja napięcia: stabilizacja napięcia w układach elektronicznych poprzez wykorzystanie charakterystyki przebicia.
• Przełączniki elektroniczne: w systemach wymagających szybkiego przełączania sygnałów.

Różnice między diodą lawinową a zenerem

Często dioda lawinowa mylona jest z diodą Zenera, ponieważ obie pracują w obszarze przebicia. Jednak różnią się mechanizmem: dioda Zenera działa głównie na zasadzie tunelowania kwantowego w niskich napięciach przebicia (< 5–6 V), natomiast dioda lawinowa działa na wyższych napięciach, wykorzystując zjawisko lawinowego mnożenia nośników. Z tego powodu diody lawinowe są preferowane w zastosowaniach wysokonapięciowych, a zenerowskie w stabilizacji niskich napięć.

Właściwości i parametry techniczne

Dioda lawinowa musi mieć wysoką wytrzymałość na napięcie, a jednocześnie zdolność do szybkiego i powtarzalnego działania w obszarze przebicia. Ważne parametry, które inżynierowie biorą pod uwagę to:

• maksymalne napięcie przebicia,
• maksymalny prąd przebicia,
• pobór mocy,
• czas reakcji na impulsy przepięciowe,
• temperaturowa stabilność parametrów.

Zastosowanie tych diod w obwodach ochronnych pozwala na skuteczne zabezpieczenie przed uszkodzeniami powodowanymi przez przepięcia, które w przeciwnym wypadku mogłyby doprowadzić do zniszczenia delikatnych układów elektronicznych.

Zjawisko lawinowego przebicia w kontekście półprzewodników

Zrozumienie działania diody lawinowej wymaga poznania samego zjawiska lawinowego przebicia, które występuje w półprzewodnikach pod wpływem bardzo silnego pola elektrycznego. Elektrony zyskują energię i zderzają się z atomami sieci krystalicznej, powodując powstanie kolejnych nośników ładunku. To mnożenie nośników prowadzi do gwałtownego wzrostu prądu. Podobne zjawisko jest wykorzystywane także w tyrystorach, tranzystorach IGBT czy w niektórych typach czujników.

Jak widzisz, ten sam efekt jest podstawą działania kilku ważnych elementów półprzewodnikowych, a poznanie diody lawinowej pozwala lepiej zrozumieć ich zachowanie. Jutro możemy przeanalizować bliżej działanie zjawiska przebicia zenerowskiego, które uzupełnia wiedzę na temat ochrony i stabilizacji napięcia w układach elektronicznych.