Wenn Sie ein Ingenieurstudent oder Ingenieur sind, wissen Sie wahrscheinlich, wie wichtig Spannung in der Elektronik ist.
Aber was ist mit der Lawinenspannung? Diese interessante Sache passiert, wenn ein pn-Halbleiterübergang einen plötzlichen Stromanstieg hat, der dazu führt, dass das Material zusammenbricht.
Auch wenn es nach einer zerstörerischen Kraft klingt, ist der Lawinendurchbruch heute ein wichtiger Bestandteil vieler elektronischer Geräte wie Fotodioden und Zenerdioden.
Das Verständnis der Lawinenspannung und wie sie im wirklichen Leben verwendet werden kann, kann für Ingenieure von entscheidender Bedeutung sein und ihnen helfen, bessere und effizientere Designs zu entwickeln.
Kommen Sie also mit, wenn ich über die faszinierende Welt der Lawinenspannung spreche und wie sie sich auf den Bereich der Technik auswirkt.
Formale Definition:
Die Sperrspannung, die erforderlich ist, um einen Lawinendurchbruch in einem pn-Halbleiterübergang zu verursachen.
Lawinenspannung und Sperrschichtbreite
Die Lawinenspannung ist die Spannung, bei der ein Lawinendurchbruch in einer pn-Übergangsdiode auftritt.
Wenn eine Sperrvorspannung an einen leicht dotierten pn-Übergang angelegt wird, beschleunigt das elektrische Feld die Elektronen in der Verarmungsschicht und verleiht ihnen eine hohe Geschwindigkeit.
Diese Energie kann eine Ionisierung von Atomen im Kristallgitter verursachen, was zu einem großen Stromfluss führt.
Beziehung zwischen Sperrschichtbreite und Lawinenspannung
Die Lawinenspannung einer Diode hängt mit der Breite der Verarmungsschicht in einem Halbleiterübergang zusammen.
Der Teil des pn-Übergangs, an dem keine freien Ladungsträger vorhanden sind, wird Sperrschicht genannt.
Es entsteht, wenn sich Minoritätsträger über den pn-Übergang bewegen. Dadurch entsteht eine Region mit einer Nettogebühr, die mehr Minoritätsträger daran hindert, sich zu bewegen.
Wie breit die Verarmungsschicht ist, hängt von der Dotierungsmenge und der verwendeten Vorspannung ab. Dioden mit hohen Durchbruchspannungen sind leicht dotiert, was zu breiten Verarmungsschichten führt.
Dioden mit niedrigen Durchbruchspannungen sind dagegen stark dotiert, was zu schmalen Verarmungsschichten führt.
Die Lawinenspannung wird größer, wenn die Sperrschicht größer ist. Dies liegt daran, dass breitere Verarmungsschichten ein größeres elektrisches Feld haben, das Elektronen auf höhere Geschwindigkeiten beschleunigt.
Dadurch werden mehr Elektronen zu Ionen, sodass die Durchbruchspannung höher ist.
Entwurfsüberlegungen
Bei der Herstellung von Dioden mit pn-Übergang ist es wichtig, über die Beziehung zwischen der Lawinenspannung und der Breite der Verarmungsschicht nachzudenken.
Eine Diode mit hoher Durchbruchspannung ist für viele Dinge nützlich, z. B. Zum Regeln der Spannung und zum Umkehren des Stromflusses.
Um eine hohe Durchbruchspannung zu erreichen, muss die Verarmungsschicht breit sein, was durch Verwendung von leicht dotiertem Halbleitermaterial erreicht werden kann.
Kurz gesagt, die Lawinenspannung ist die Spannung, bei der ein Lawinendurchbruch bewirkt, dass eine Diode mit pn-Übergang durchbricht.
Die Lawinenspannung ist mit der Breite der Verarmungsschicht verknüpft, da sie die Spannung beeinflusst, bei der die Diode durchbricht.
Das Verständnis der Beziehung zwischen der Lawinenspannung und der Breite der Verarmungsschicht ist wichtig für das Entwerfen und Optimieren von pn-Übergangsdioden für verschiedene Anwendungen.
Lawinendurchbruch in PN-Halbleiterübergängen
Lawinendurchbruch ist ein Prozess, der auftritt, wenn die Sperrspannung an einem leicht dotierten pn-Übergang höher als ein bestimmter Wert ist, der als Durchbruchspannung bezeichnet wird.
Bei dieser Spannung ist das elektrische Feld an der Verbindungsstelle stark genug, um auf die Elektronen zu drücken und sie aus ihren kovalenten Bindungen zu lösen.
Die freien Elektronen treffen dann auf andere Atome im Gerät, setzen weitere Elektronen frei und verursachen eine Stromlawine.
Dies wird als "Trägermultiplikation" bezeichnet und bewirkt, dass der Stromfluss durch den pn-Übergang erheblich ansteigt.
Mechanismus des Lawinendurchbruchs und Vergleich mit dem Zenerdurchbruch
Ein Lawinendurchbruch tritt auf, wenn freie Elektronen und Atome im Gerät zusammenstoßen.
Der Zener-Durchbruch hingegen wird durch ein starkes elektrisches Feld über dem pn-Übergang verursacht.
Sowohl der Lawinendurchbruch als auch der Zener-Durchbruch beinhalten die Erzeugung und Bewegung von Elektronen und Löchern innerhalb des Halbleitermaterials.
Der größte Unterschied zwischen den beiden Arten des Zusammenbruchs besteht jedoch darin, wie das Elektron-Loch-Paar aufgebaut ist.
Unterschiede zwischen Avalanche- und Zener-Durchbrüchen
Ein Lawinendurchbruch ist irreversibel und tritt bei einer höheren Sperrspannung auf als ein Zener-Durchbruch.
Die Durchbruchspannung wird durch die Dotierungsmenge im Halbleitermaterial gesteuert.
Wenn die Menge an Dotierung ansteigt, steigen sowohl der Temperaturkoeffizient des Avalanche-Verfahrens als auch die Größe der Durchbruchspannung.
Der Lawinendurchbruch tritt in Materialien mit geringer Dotierung auf, während der Zener-Durchbruch in Materialien mit hoher Dotierung auftritt.
Der Übergang einer Diode wird nicht dorthin zurückkehren, wo er nach einem Lawinendurchbruch war, aber er wird dorthin zurückkehren, wo er nach einem Zener-Durchbruch war.
Lawinendurchbrüche treten in dicken Teilen des Halbleitermaterials auf, während Zener-Durchbrüche in dünnen Teilen auftreten.
Es ist erwähnenswert, dass beide Arten von Zusammenbrüchen wahrscheinlich nicht gleichzeitig auftreten.
Jede Art von Zusammenbruch wird durch verschiedene Dinge verursacht, und es ist unwahrscheinlich, dass beide gleichzeitig auftreten.
Video: Den Lawineneffekt verstehen: eine Einführung
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Praktische Anwendungen des Lawinendurchbruchs
Lawinendurchbruch ist ein Phänomen, das sowohl bei isolierenden als auch bei halbleitenden Materialien auftreten kann.
Dies ist der Fall, wenn ein großer Strom durch Materialien fließen kann, die normalerweise gute Isolatoren sind.
Der Prozess kann in elektronischen Geräten verwendet werden, um nützliche Dinge wie das Stoppen von Überspannungen, den Schutz vor Überspannung, die Verwendung als Spannungsreferenz und die Herstellung von Stromquellen zu tun.
Überspannungsschutz
In Überspannungsschutzschaltungen wird der Lawinendurchbruch verwendet, um elektronische Geräte vor Spannungsspitzen zu schützen, die durch Blitzeinschläge, elektromagnetische Impulse oder andere Dinge verursacht werden.
Dabei wird dem zu schützenden Gerät eine Avalanche-Diode parallel geschaltet.
Wenn die Spannung über dem Gerät höher ist als die Durchbruchspannung der Diode, geht die Diode in den Lawinendurchbruchbereich, der die zusätzliche Spannung von dem zu schützenden Gerät wegnimmt.
Dadurch wird verhindert, dass der Stromstoß das Gerät beschädigt.
Überspannungsschutzschaltungen
Der Lawinendurchbruch wird auch in Schaltkreisen verwendet, die elektronische Geräte vor Schäden durch zu hohe Spannung schützen.
Bei diesen Schaltungen wird das zu schützende Gerät mit einer Avalanche-Diode in Reihe geschaltet.
Wenn die Spannung über dem Gerät höher ist als die Durchbruchspannung der Diode, geht die Diode in den Lawinendurchbruchbereich, der die Spannung über dem zu schützenden Gerät begrenzt.
Spannungsreferenzschaltungen
In Spannungsreferenzschaltungen wird ein Lawinendurchbruch verwendet, um sicherzustellen, dass die Referenzspannung stabil und genau ist.
Als Spannungsreferenz wird in diesen Schaltungen eine Avalanche-Diode mit Rückwärtsvorspannung verwendet.
Die Durchbruchspannung der Diode ist sehr stabil und hängt davon ab, wie viel Dotierung bei der Herstellung erfolgt. Dies macht es zu einer großartigen Referenzspannung für Anwendungen, die eine hohe Genauigkeit erfordern.
Aktuelle Quellen
Der Lawinendurchbruch wird in Stromquellen verwendet, in denen ein stabiler Strom benötigt wird, wie z. B. In Präzisionsinstrumenten und Messschaltungen.
Bei diesen Schaltungen ist eine Avalanche-Diode mit einem Widerstand in Reihe geschaltet.
Die Durchbruchspannung der Diode und der Wert des Widerstands bestimmen, wie viel Strom durch die Schaltung fließt.
Kontrolle und Verhinderung von Lawinendurchbrüchen
In elektronischen Schaltungen gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, den Lawinendurchbruch zu stoppen oder zu kontrollieren.
Lawinendioden
Eine Lawinendiode ist eine Möglichkeit, das Aufreißen einer Lawine zu verhindern. Avalanche-Dioden arbeiten im Rückwärtsdurchbruchbereich und werden verwendet, um Schaltungen vor unerwünschten Spannungen zu schützen.
Der Übergang einer Avalanche-Diode wird so hergestellt, dass er gleichmäßig über den gesamten Übergang zusammenbricht. Dadurch wird verhindert, dass sich Strom konzentriert und Hot Spots entstehen.
Im Gegensatz zu einer Nicht-Avalanche-Diode bleibt die Durchbruchspannung einer Avalanche-Diode fast gleich, wenn sich der Strom ändert.
Geräte zur Unterdrückung von Überspannungen und Spannungsbegrenzung
Elektronische Schaltungen können auch mit Hilfe von Transientenunterdrückungsvorrichtungen und Spannungsklemmung vor einem Lawinendurchbruch geschützt werden.
Zenerdioden werden häufig zum Klemmen der Spannung verwendet.
Wenn zwei Zener-Dioden mit der gleichen Rückwärts-Durchbruchspannung verwendet werden, wird eine transiente Spannung jeder Polarität auf dem gleichen Zener-Spannungspegel geklemmt.
MOSFETs
Wenn eine Spannung höher als die Durchbruchspannung des MOSFET ist, kann er auch in einen Avalanche-Modus gehen, was Probleme verursachen kann.
Ein Lawinendurchbruch in MOSFETs kann durch ein gutes Schaltungsdesign und eine sorgfältige Auswahl von MOSFETs mit den richtigen Nennspannungen vermieden werden.
Weitere Möglichkeiten, einen Lawinendurchbruch zu verhindern
Es gibt mehr Möglichkeiten, den Lawinendurchbruch in elektronischen Schaltungen zu stoppen, als nur die Verwendung von Lawinendioden, Transientenunterdrückungsvorrichtungen, Spannungsbegrenzung und einer sorgfältigen Auswahl von MOSFETs.
Hier sind einige davon:
| Tipp zur Vorbeugung: | Beschreibung: |
|---|---|
| Einstellen des Dotierungsniveaus der Diode | Die Durchbruchspannung einer Diode hängt davon ab, wie viel Dotierung bei ihrer Herstellung verwendet wird. Indem Sie den Dotierungspegel ändern, können Sie die Lawinendurchbruchspannung erhöhen und verhindern, dass ein Lawinendurchbruch auftritt. |
| Erhöhen der Dicke der Verarmungsregion | Die Dotierungskonzentration und die Vorspannung beeinflussen die Dicke des Verarmungsgebiets in einer Diode. Indem der Verarmungsbereich dicker gemacht wird, kann die Lawinendurchbruchspannung erhöht und der Lawinendurchbruch gestoppt werden. |
| Richtige Wärmeableitung | Zu viel Hitze kann Dioden beschädigen und zum Ausfall führen. Kühlkörper und andere Möglichkeiten zur Kühlung können dazu beitragen, dass eine Lawine nicht abreißt. |
| Sicherungen und Überspannungsschutz | Sicherungen und Überspannungsschutz schützen elektronische Schaltungen vor Überspannungen und anderen transienten Ereignissen, die Lawinenausfälle verursachen können. |
Spannungs- und Lawinendurchbruch
Durchschlagsfestigkeit und Durchschlagsspannung
Die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Belastungen standzuhalten, ohne zusammenzubrechen und leitfähig zu werden, wird anhand seiner Durchschlagsfestigkeit gemessen. Volt pro Zentimeter sind eine übliche Methode, um es zu messen.
Die Ausfallwahrscheinlichkeit bei dieser Spannung ist gering genug, dass die Isolierung unter der Annahme hergestellt werden kann, dass sie bei dieser Spannung nicht bricht.
AC-Durchschlagspannungen und Impuls-Durchschlagspannungen sind beides Möglichkeiten, um die Durchschlagsfestigkeit eines Materials zu messen.
Die Wechselspannung ist die Netzfrequenz des Netzes, während die Stoß-Durchbruchspannung Blitzeinschläge nachahmt.
Normalerweise dauert es 1,2 Mikrosekunden, bis die Welle auf 90 % Amplitude ansteigt, und dann 50 Mikrosekunden, um wieder auf 50 % Amplitude abzufallen.
Abschluss
Zusammenfassend mögen Lawinendurchbruch und Spannung wie komplizierte Ideen erscheinen, die nur Experten verstehen können, aber sie sind beide wichtige Bestandteile moderner Elektronik.
Indem sie wissen, wie diese Dinge funktionieren und wie sie in elektronischen Geräten verwendet werden können, können Ingenieure Designs erstellen, die effizienter und einzigartiger sind.
Die Untersuchung von Lawinenspannung und -durchbruch könnte sogar noch wichtiger sein, weil sie zeigt, wie leistungsfähig und nützlich Elektronik sein kann.
Es ist leicht, die Werkzeuge und Maschinen, die wir täglich benutzen, für selbstverständlich zu halten, aber es ist erstaunlich, an die erstaunlichen Kräfte zu denken, die in ihnen wirken.
Wenn Sie also immer mehr über Engineering lernen, vergessen Sie nicht, sich von der Cleverness und Kreativität zu überraschen, die in die Herstellung der Technologie fließen, die wir jeden Tag verwenden.
Wer kann das schon sagen? Vielleicht sind Sie derjenige, der das nächste große Ding in Lawinendurchbruch oder Spannung findet, was in Zukunft zu noch größeren Dingen führen wird.
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