فهم تأثير الانهيار الجليدي: مقدمة

إذا كنت طالب هندسة أو مهندسًا ، فمن المحتمل أنك تعرف مدى أهمية امتلاك أجهزة إلكترونية موثوقة لمجموعة واسعة من الاستخدامات.

لكن هل فكرت يومًا فيما يحدث عندما تضرب الحقول الكهربائية القوية هذه الأجهزة؟ هذا هو المكان الذي يأتي فيه تأثير الانهيار ، وفهمه هو المفتاح للتأكد من أن الأنظمة الإلكترونية تعمل بشكل جيد وآمن.

في منشور المدونة هذا ، سألقي نظرة على تأثير الانهيار الجليدي بمزيد من التفصيل ، بما في ذلك أسبابه وتأثيراته واستخداماته في العالم الحقيقي.

هذا موضوع لن ترغب في تفويته ، سواء كنت مهندسًا متمرسًا أو بدأت للتو. لذا اربط حزام الأمان واستعد لاستكشاف العالم المثير لتأثير الانهيار الجليدي!

مقدمة لتأثير الانهيار الجليدي

تعريف رسمي:

العملية التراكمية التي يتصادم فيها إلكترون أو جسيم مشحون آخر متسارع بواسطة مجال كهربائي قوي مع جزيئات الغاز ويؤينها ، وبالتالي إطلاق إلكترونات جديدة والتي بدورها لها تصادمات أكثر ، بحيث يتم الحفاظ على التفريغ ذاتيًا.

تأثير الانهيار الجليدي: شرح عام

تأثير الانهيار الجليدي هو تأثير فيزيائي أساسي يحدث في الأجهزة الإلكترونية عندما يضرب إلكترون أو جسيمات مشحونة أخرى تم تسريعها بواسطة مجال كهربائي قوي جزيئات الغاز ويؤينها.

هذه العملية تصنع إلكترونات جديدة ، والتي تصطدم بعد ذلك مع المزيد من الإلكترونات ، مما يؤدي إلى تفريغ يستمر من تلقاء نفسه.

غالبًا ما يستخدم تأثير الانهيار الجليدي في صنع الأجهزة الإلكترونية ، مثل الثنائيات الانهيار ، وكاشفات الإشعاع ، وكاشفات الجسيمات.

تأثير الانهيار الجليدي في الصمام الثنائي

يحدث تأثير الانهيار الجليدي في الصمام الثنائي عندما يتم تطبيق جهد عكسي عالي عبر التقاطع. هذا يخلق مجالًا كهربائيًا قويًا يعمل على تسريع الإلكترونات بالقرب من التقاطع.

عندما تتحرك هذه الإلكترونات عبر التقاطع ، فإنها تصطدم بالذرات في الشبكة البلورية. هذا يجعل الذرات تتأين وتسمح بإخراج المزيد من الإلكترونات.

ثم تسرع هذه الإلكترونات الجديدة وتضرب المزيد من الذرات ، مما ينتج عنه تفاعل متسلسل من التأين وتدفق تيار يستمر من تلقاء نفسه.

وهذا ما يسمى "تأثير الانهيار الجليدي" ، ويحدث عندما يتم عمل الثنائيات في "منطقة الانهيار العكسي".

الثنائيات الانهيار

الصمام الثنائي الانهيار الجليدي هو نوع من الصمامات الثنائية شبه الموصلة التي تتحلل في انهيار جليدي عند جهد معين.

تم إجراء تقاطع pn للديود الانهيار الجليدي لإيقاف تركيز التيار والبقع الساخنة التي تأتي منه ، بحيث لا يؤذي تأثير الانهيار الجليدي الصمام الثنائي.

يتكون الصمام الثنائي الانهيار بنفس طريقة الصمام الثنائي Zener ، ويمكن أن يحدث كل من انهيار Zener وانهيار الانهيار الجليدي في هذه الثنائيات.

صُممت الثنائيات الانهيار الجليدي لتعمل بشكل أفضل في ظروف انهيار الانهيار الجليدي ، بحيث يكون لديها انخفاض صغير ولكن ملحوظ في الجهد عند تعطلها.

مثال على تأثير الانهيار الجليدي في الصمام الثنائي

يعد استخدام الانهيار الجليدي للتحكم في الجهد في الدائرة مثالاً على تأثير الانهيار الجليدي في الصمام الثنائي.

في هذه الحالة ، يتم تصنيع الصمام الثنائي للعمل في منطقة الانهيار العكسي ، حيث يمكن أن يوفر تأثير الانهيار الجليدي انخفاضًا ثابتًا ويمكن التنبؤ به في الجهد.

يمكن استخدام الصمام الثنائي كتحويل لحماية الأجزاء الأخرى من الجهد الزائد أو للحد من الجهد عبر الحمل.

يعد تأثير الانهيار الجليدي في الصمام الثنائي وسيلة أساسية للتحكم في الجهد بطريقة دقيقة للغاية. يمكن العثور عليها في مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية.

فيديو: شرح الانهيار الجليدي وتأثير انهيار Zener

نصيحة: قم بتشغيل زر التسمية التوضيحية إذا كنت بحاجة إليه. اختر "ترجمة آلية" في زر الإعدادات ، إذا لم تكن معتادًا على اللغة الإنجليزية. قد تحتاج إلى النقر فوق لغة الفيديو أولاً قبل أن تصبح لغتك المفضلة متاحة للترجمة.

أهمية تأثير الانهيار الجليدي في الأجهزة الإلكترونية

تأثير الانهيار الجليدي وتأثير Zener نوعان من الانهيار الكهربائي الذي يمكن أن يحدث في الثنائيات pn والأجهزة الإلكترونية الأخرى.

تأثير الانهيار الجليدي هو ظاهرة فيزيائية أساسية تحدث عندما يصطدم الإلكترون أو الجسيمات المشحونة الأخرى التي يتم تسريعها بواسطة مجال كهربائي قوي في جزيئات الغاز ويؤينها.

هذه العملية تصنع إلكترونات جديدة ، والتي تصطدم بعد ذلك مع المزيد من الإلكترونات ، مما يؤدي إلى تفريغ يستمر من تلقاء نفسه.

غالبًا ما يستخدم تأثير الانهيار الجليدي في صنع الأجهزة الإلكترونية ، مثل الثنائيات الانهيار ، وكاشفات الإشعاع ، وكاشفات الجسيمات.

تأثير زينر

تأثير Zener هو نوع آخر من الانهيار الكهربائي الذي يمكن أن يحدث في الإلكترونيات ، خاصة في الثنائيات pn المنحازة في الاتجاه المعاكس.

عندما يسمح المجال الكهربائي للإلكترونات بالانتقال من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ، يحدث هذا التأثير.

هذا الخلق المفاجئ للحاملات يرفع بسرعة التيار العكسي ، مما يؤدي إلى الموصلية العالية للانحدار في الصمام الثنائي Zener.

يختلف انهيار الانهيار الجليدي عن تأثير Zener.

في انهيار الانهيار الجليدي ، يتم تسريع إلكترونات الأقلية الحاملة في المنطقة الانتقالية بواسطة المجال الكهربائي إلى سرعات عالية بما يكفي لتحرير أزواج ثقب الإلكترون عن طريق الاصطدام بالإلكترونات المرتبطة.

الفرق بين انهيار زينر وانهيار الانهيار

الطريقة التي يحدث بها انهيار Zener وانهيار الانهيار الجليدي هي الفرق الرئيسي بين الاثنين.

يحدث انهيار Zener عندما تكون هناك مجالات كهربائية قوية ، بينما يحدث الانهيار الجليدي عندما تصطدم الإلكترونات والذرات الحرة ببعضها البعض.

يمكن أن تحدث هاتان المشكلتان في نفس الوقت.

يحدث انهيار الانهيار الجليدي في كثير من الأحيان في الثنائيات التي يتم تصنيعها للعمل في منطقة الانهيار العكسي ، بينما يحدث انهيار Zener في كثير من الأحيان في الثنائيات المخدرة قليلاً وفي الفولتية المنخفضة.

أهمية تأثير الانهيار الجليدي في الأجهزة الإلكترونية

يعد تأثير الانهيار الجليدي جزءًا أساسيًا من بعض الأجهزة الإلكترونية ، مثل الثنائيات الانهيار والصمامات الثنائية عالية الجهد ، لأنه يتيح التحكم في الفولتية في الدوائر الكهربائية بدقة كبيرة.

يمكن استخدام تأثير الانهيار الجليدي في العديد من الأشياء ، مثل تنظيم الجهد والحماية من الارتفاع المفاجئ في التيار والتبديل بسرعة.

غالبًا ما تستخدم الثنائيات الانهيار لحماية الأجهزة الإلكترونية من ارتفاع الجهد.

تستخدم الثنائيات عالية الجهد تأثير الانهيار للتحكم في الجهد في الدوائر الكهربائية بطريقة دقيقة للغاية.

حساب وقياس تأثير الانهيار الجليدي

اختبار تأثير الانهيار الجليدي في الأجهزة الإلكترونية

يعد اختبار التبديل الاستقرائي غير المثبت (UIS) أحد الطرق لاختبار الأجهزة الإلكترونية بطريقة ملتوية لتأثير الانهيار الجليدي.

لا يعد اختبار معهد اليونسكو للإحصاء اختبارًا مباشرًا لتأثير الانهيار الجليدي. بدلاً من ذلك ، يتحقق من مدى قدرة MOSFET على التعامل مع ارتفاعات الجهد العالي والانخفاض المفاجئ في الجهد.

أثناء اختبار UIS ، يتم تشغيل المفتاح لشحن المحرِّض إلى مستوى معين. ثم يتم إيقاف تشغيل المفتاح للسماح بحدوث تأثير الانهيار الجليدي.

يعتمد مقدار طاقة الانهيار على حجم وطول ارتفاع الجهد الذي يشبكه جهاز السيليكون.

يساعد تصنيف MOSFET Avalanche Rating على التحقق من مدى قوة الجهاز وتصفية MOSFETs الأضعف أو الأكثر عرضة للكسر.

لكن من المهم أن نتذكر أن تأثير الانهيار الجليدي ليس دائمًا أمرًا جيدًا في الأجهزة الإلكترونية لأنه يمكن أن يتسبب في تعطلها وفشلها بطريقة مدمرة.

لهذا السبب ، يجب على الأشخاص الذين يصممون الدوائر ويصنعون الأجهزة أن يوازنوا بعناية فوائد تأثير الانهيار الجليدي مقابل مخاطر أحداث الجهد الزائد والظروف العابرة الأخرى.

الثنائيات الانهيار

الثنائيات الانهيار الجليدي هي نوع من الصمامات الثنائية شبه الموصلة التي يتم تصنيعها لتتحلل في انهيار جليدي عند جهد معين.

تم إجراء تقاطع pn في الصمام الثنائي للانهيار الجليدي لإيقاف تركيز التيار والبقع الساخنة التي تأتي منه ، وبالتالي فإن تأثير الانهيار الجليدي لا يضر الصمام الثنائي.

يتكون الصمام الثنائي الانهيار بنفس طريقة الصمام الثنائي Zener ، ويمكن أن يحدث كل من انهيار Zener وانهيار الانهيار الجليدي في هذه الثنائيات.

صُممت الثنائيات الانهيار الجليدي لتعمل بشكل أفضل في ظروف انهيار الانهيار الجليدي ، بحيث يكون لديها انخفاض صغير ولكن ملحوظ في الجهد عند تعطلها.

يمكن استخدام ثنائيات الانهيار الجليدي في العديد من الأشياء ، مثل تنظيم الجهد ، والحماية من الارتفاعات المفاجئة ، والتبديل السريع.

يتم استخدام تأثير الانهيار الجليدي بواسطة الثنائيات عالية الجهد للتحكم في الجهد في الدوائر الكهربائية بدقة كبيرة.

تعزيز وتعزيز تأثير الانهيار الجليدي

في بعض الأجهزة الإلكترونية ، يمكن أن يكون تأثير الانهيار أمرًا جيدًا لأنه يجعل من الصعب على المهاجمين اكتشاف نص عادي من خلال التحليل الإحصائي.

لذلك ، هناك طرق لجعل تأثير الانهيار الجليدي يحدث في كثير من الأحيان في الدوائر ، مثل:

رفع جهد الانحياز فوق الانهيار

تتمثل إحدى طرق زيادة احتمالية حدوث الانهيار الجليدي في الدائرة الكهربية في رفع جهد التحيز فوق الانهيار.

ولكن للقيام بذلك ، فأنت بحاجة إلى دائرة يمكنها التقاط الحافة الأمامية لتيار الانهيار الجليدي وإحداث نبضة خرج قياسية يتم توقيتها مع تراكم الانهيار الجليدي.

التبريد النشط

في هذه الحالة ، يتم التقاط البداية الحادة للتيار الجليدي عبر مقاوم 50 (أو ترانزستور متكامل) بواسطة مميّز سريع ، والذي يرسل نبضة خرج رقمية.

تحسين تركيزات المنشطات

يمكن أن يساعد تحسين تركيزات المنشطات لطبقتين مخصصتين في الحصول على مجال كهربائي عالي لتكاثر الانهيار الجليدي للإلكترونات الناتجة عن الضوء.

تم استخدام هذه الطريقة لتحسين كفاءة الكم في مستشعرات الصور. كما قيل أنه يستخدم في CMOS SPADs.

يستخدم الهيكل المقترح أيضًا طبقة p-epitaxial مع ملف تعريف منشطات متدرج ، مما يعني أن كمية المنشطات تزداد كلما تعمقت في الطبقة.

يجعل ملف تعريف المنشطات المتدرج هذا PDE أفضل من خلال تسهيل تحرك الإلكترونات المولدة بالصور إلى أعلى وجمعها بكفاءة في اتجاه منطقة تكاثر الانهيار الجليدي.

تاونسيند أفالانش

من المهم أن نتذكر أن الانهيار الجليدي لتاونسند بدأ بإلكترون حر واحد. يمكن للإلكترونات الحرة فقط التحرك بشكل كافٍ في مجال كهربائي لبدء هذه العملية.

إذا شعرت يومًا بالملل وتبحث عن القليل من الإثارة

هل تفكر في إنشاء تأثير الانهيار الجليدي الخاص بك في المنزل؟ ما عليك سوى جمع مجال كهربائي قوي وعدد قليل من جزيئات الغاز ، وفويلا - لديك تفريغ ذاتي الصيانة جاهز للانطلاق!

أنا أمزح بالطبع.

إن محاولة إحداث تأثير انهيار جليدي خارج المختبر الخاضع للرقابة أمر خطير وليس فكرة جيدة.

على الرغم من أن فكرة التفريغ الذاتي قد تبدو رائعة ، إلا أنه قد يكون لها تأثيرات خطيرة على الأنظمة والأجهزة الإلكترونية.

استخدم حالات

مستعمل في:	وصف:
الثنائيات الانهيار	تعد ثنائيات الانهيار الجليدي واحدة من أكثر الطرق شيوعًا لاستخدام تأثير الانهيار الجليدي. يتم تصنيع هذه الثنائيات الخاصة للعمل في المنطقة التي يحدث فيها تأثير الانهيار الجليدي ، وهي منطقة الانهيار العكسي. والنتيجة هي تدفق تيار ثابت ومحدَّد ذاتيًا يمكن استخدامه في مجموعة واسعة من المهام ، مثل تنظيم الجهد ، والحماية من الارتفاعات المفاجئة ، والتبديل السريع.
كشف الإشعاع	يعد الكشف عن الإشعاع استخدامًا مهمًا آخر لتأثير الانهيار الجليدي. يتم استخدامه لصنع أجهزة الكشف عن الإشعاع. أنابيب جيجر مولر ، على وجه الخصوص ، هي أدوات تستخدم تأثير الانهيار الجليدي لإيجاد وقياس الإشعاع المؤين. عندما تمر الجسيمات المشحونة من الإشعاع عبر الأنبوب ، فإنها تؤين جزيئات الغاز ، مما يتسبب في تدفق الإلكترونات التي يمكن رؤيتها وقياسها.
تقليل الضوضاء الإلكترونية	يمكن أيضًا استخدام تأثير الانهيار الجليدي لتقليل الضوضاء في أنواع معينة من الدوائر الإلكترونية. على وجه الخصوص ، عندما يتم توصيل الصمام الثنائي الانهيار الجليدي في سلسلة بمصدر ضوضاء ، يمكن أن تساعد الطبيعة ذاتية التحديد لتأثير الانهيار الجليدي في خفض المستوى الإجمالي للضوضاء في النظام.
فيزياء الطاقة العالية	أخيرًا ، يعد تأثير الانهيار الجليدي جزءًا أساسيًا من تجارب الفيزياء عالية الطاقة ، حيث يمكن استخدامه لإيجاد وقياس وجود الجسيمات عالية الطاقة. على وجه الخصوص ، تستخدم كاشفات الجسيمات مثل غرفة الإسقاط الزمني تأثير الانهيار الجليدي لتأيين جزيئات الغاز وإصدار إشارة يمكن استخدامها لتتبع حركة الجسيمات المشحونة.

خاتمة

كما رأينا في هذا المنشور ، يعد تأثير الانهيار الجليدي ظاهرة مثيرة للاهتمام ومعقدة لها الكثير من التأثيرات على الأجهزة والأنظمة الإلكترونية.

يمكن أن يعلمنا تأثير الانهيار الجليدي الكثير ، من أسبابه الأساسية إلى طرق استخدامه في العالم الحقيقي.

ولكن بصرف النظر عن التفاصيل الفنية ، يعطي تأثير الانهيار الجليدي رؤية فريدة لكيفية عمل الكهرباء وكيفية تفاعل الجزيئات المشحونة وجزيئات الغاز.

إنه يذكرنا بقوة وإمكانيات الكهرباء ، فضلاً عن التوازن الدقيق بين الطاقة والمادة.

كمهندسين وعلماء ، من المهم ليس فقط فهم الجوانب التقنية لتأثير الانهيار الجليدي ، ولكن أيضًا تقدير الإعجاب والرهبة التي تأتي مع استكشاف ألغاز العالم المادي.

من خلال تبني شعور بالفضول والتساؤل ، يمكننا العثور على رؤى وفرص جديدة في عملنا ، ودفع حدود ما هو ممكن ، وتشكيل عالم الغد.

لذا ، دع تأثير الانهيار الجليدي تذكيرًا بمدى قوة ومفيدة العلوم والهندسة ، ودعوة للاستمرار في استكشاف عجائب الطبيعة بعقول متفتحة وإحساس لا ينتهي بالتعجب.

معًا ، يمكننا فتح مجالات جديدة وجعل المستقبل أفضل للجميع.