دیود شکست بهمنی (Avalanche Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود شکست بهمنی (Avalanche Diode) :
دیود شکست بهمنی نوعی دیود است که برای کار در ناحیه شکست بهمنی (Avalanche Breakdown) طراحی شده است و از این پدیده برای کاربردهای خاصی مانند حفاظت در برابر اضافه ولتاژ و تولید نوسانات مایکروویو استفاده می کند. این دیود شباهت زیادی به دیود زنر دارد، اما مکانیزم فیزیکی شکست در آن عمدتا از نوع بهمنی است و معمولا برای ولتاژهای بالاتر (بیش از ۶.۸ ولت) طراحی می شود.
پدیده شکست بهمنی زمانی رخ می دهد که ولتاژ معکوس اعمال شده به دیود به حدی برسد که میدان الکتریکی در ناحیه تهی (Depletion Region) بسیار قوی شود. در این میدان قوی، الکترون هایی که به صورت حرارتی تولید می شوند، آنقدر شتاب می گیرند که با برخورد به اتم های شبکه کریستالی، می توانند الکترون های دیگری را آزاد کنند. این الکترون های جدید نیز شتاب گرفته و با برخورد به اتم های دیگر، الکترون های بیشتری آزاد می کنند. این اثر زنجیره ای مانند بهمن باعث افزایش ناگهانی جریان می شود.
دیودهای شکست بهمنی معمولا در ولتاژهای شکست بالاتر از دیودهای زنر ساخته می شوند و ویژگی های متفاوتی دارند. یکی از مهم ترین تفاوت ها، ضریب دمایی مثبت است؛ به این معنی که با افزایش دما، ولتاژ شکست بهمنی افزایش می یابد. دلیل این پدیده آن است که در دمای بالاتر، ارتعاشات شبکه (فونون ها) بیشتر شده و الکترون ها برای رسیدن به انرژی لازم برای یونیزاسیون، به میدان قوی تری (ولتاژ بالاتری) نیاز دارند.
یکی از کاربردهای مهم دیودهای شکست بهمنی، به عنوان دیود محافظ (Protection Diode) در برابر اضافه ولتاژهای گذرا (Transient Overvoltages) است. در این کاربرد، دیود به صورت موازی با بار قرار می گیرد. اگر ولتاژ از حد مجاز فراتر رود، دیود وارد ناحیه شکست بهمنی شده و جریان زیادی را از خود عبور می دهد و در نتیجه ولتاژ دو سر بار را محدود می کند. دیودهای TVS (Transient Voltage Suppressor) که بعدا توضیح داده می شوند، نوع پیشرفته ای از دیودهای بهمنی هستند.
کاربرد دیگر در مدارات حفاظت از ورودی در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD) است. دیودهای بهمنی با سرعت پاسخ بالا می توانند در برابر پالس های بسیار سریع ESD که می توانند به مدارات حساس آسیب بزنند، محافظت ایجاد کنند. این دیودها معمولا در ورودی خطوط سیگنال در دستگاه های الکترونیکی مانند پورت های USB، HDMI و آنتن ها استفاده می شوند.
یکی دیگر از کاربردهای جالب دیودهای بهمنی، تولید نویز (Noise Generation) است. پدیده شکست بهمنی ذاتا یک پدیده نویزدار است و جریان عبوری از دیود در این ناحیه دارای نوسانات تصادفی با دامنه قابل توجه است. از این خاصیت برای ساخت منابع نویز سفید (White Noise) با پهنای باند وسیع استفاده می شود که در تست و اندازه گیری سیستم های مخابراتی و همچنین در تولید اعداد تصادفی کاربرد دارد.
در حوزه فرکانس های بالا و مایکروویو، دیودهای بهمنی کاربرد ویژه ای به عنوان دیود IMPATT (IMPATT Diode) دارند. IMPATT مخفف Impact Ionization Avalanche Transit-Time است. این دیودها از ترکیب پدیده شکست بهمنی و زمان عبور (Transit Time) حامل ها برای ایجاد مقاومت منفی در فرکانس های بالا استفاده می کنند و به عنوان نوسان ساز قدرتی در محدوده فرکانسی چند گیگاهرتز تا چند صد گیگاهرتز کاربرد دارند.
پارامترهای مهم در دیودهای شکست بهمنی عبارتند از ولتاژ شکست (Breakdown Voltage - V_BR)، جریان نشتی قبل از شکست (Leakage Current - I_R)، حداکثر جریان مجاز در حالت شکست (I_ZM) و حداکثر توان مجاز (P_tot). همچنین ظرفیت خازنی دیود (C_j) در کاربردهای فرکانس بالا اهمیت دارد.
از نظر ساختار، دیودهای بهمنی معمولا با ساختار PIN یا با پیوندهای عمیق (Deep Junctions) ساخته می شوند تا بتوانند ولتاژهای بالا را تحمل کنند. در دیودهای TVS، گاهی از ساختارهای چندپیوندی یا ساختارهای محافظ (Guard Ring) برای بهبود قابلیت های حفاظتی و کاهش زمان پاسخ استفاده می شود.
در کاربردهای حفاظتی، یکی از پارامترهای مهم، توان پیک پالسی (Peak Pulse Power - P_PPM) است. این پارامتر نشان می دهد دیود می تواند چه مقدار توان را در یک پالس کوتاه (معمولا چند میکروثانیه) تحمل کند. دیودهای TVS می توانند توان های پالسی از چند صد وات تا چند کیلووات را تحمل کنند که آنها را برای حفاظت در برابر صاعقه و نوسانات شبکه مناسب می سازد.
در نهایت، انتخاب دیود شکست بهمنی مناسب به کاربرد مورد نظر بستگی دارد. برای کاربردهای حفاظتی، به ولتاژ کاری مدار، حداکثر ولتاژ قابل تحمل بار، انرژی پالس های مزاحم و سرعت پاسخ مورد نیاز توجه می شود. برای کاربردهای نوسان سازی مایکروویو، فرکانس کاری، توان خروجی و نویز فاز اهمیت دارد. با پیشرفت فناوری نیمه هادی، دیودهای بهمنی بر پایه کاربید سیلیکون (SiC) و گالیوم نیتراید (GaN) نیز در حال گسترش هستند که می توانند در ولتاژها و دماهای بالاتر با کارایی بهتر عمل کنند.
