Si eres estudiante de ingeniería o ingeniero, probablemente sepas lo importante que es contar con dispositivos electrónicos confiables para una amplia gama de usos.
Pero, ¿alguna vez has pensado en lo que sucede cuando los campos eléctricos fuertes golpean estos dispositivos? Aquí es donde entra el efecto avalancha, y entenderlo es clave para asegurarse de que los sistemas electrónicos funcionen bien y sean seguros.
En esta publicación de blog, analizaré el efecto de avalancha con más detalle, incluidas sus causas, efectos y usos en el mundo real.
Este es un tema que no querrá perderse, tanto si es un ingeniero experimentado como si acaba de empezar. ¡Así que abróchate el cinturón y prepárate para explorar el mundo electrizante del efecto avalancha!
Introducción al efecto de avalancha
Definicion formal:
El proceso acumulativo en el que un electrón u otra partícula cargada acelerada por un fuerte campo eléctrico choca con moléculas de gas y las ioniza, liberando así nuevos electrones que a su vez tienen más colisiones, de modo que la descarga se automantiene.
Efecto de avalancha: una explicación general
El efecto de avalancha es un efecto físico básico que ocurre en los dispositivos electrónicos cuando un electrón u otra partícula cargada que ha sido acelerada por un fuerte campo eléctrico golpea moléculas de gas y las ioniza.
Este proceso produce nuevos electrones, que luego chocan con más electrones, creando una descarga que continúa por sí sola.
El efecto de avalancha se usa a menudo para fabricar dispositivos electrónicos, como diodos de avalancha, detectores de radiación y detectores de partículas.
Efecto de avalancha en un diodo
El efecto de avalancha ocurre en un diodo cuando se aplica un alto voltaje inverso a través de la unión. Esto crea un fuerte campo eléctrico que acelera los electrones cerca de la unión.
A medida que estos electrones se mueven a través de la unión, chocan con los átomos en la red cristalina. Esto hace que los átomos se ionicen y dejen salir más electrones.
Estos nuevos electrones luego se aceleran y golpean más átomos, creando una reacción en cadena de ionización y un flujo de corriente que continúa por sí solo.
Esto se denomina "efecto de avalancha" y ocurre cuando se hace que los diodos funcionen en la "región de ruptura inversa".
diodos de avalancha
Un diodo de avalancha es un tipo de diodo semiconductor que se rompe en una avalancha a un cierto voltaje.
La unión pn de un diodo de avalancha está hecha para detener la concentración de corriente y los puntos calientes que provienen de ella, para que el efecto de avalancha no dañe el diodo.
El diodo de avalancha se fabrica de la misma manera que el diodo Zener, y tanto la ruptura de Zener como la ruptura de avalancha pueden ocurrir en estos diodos.
Los diodos de avalancha están diseñados para funcionar mejor en condiciones de ruptura de avalancha, por lo que tienen una caída de voltaje pequeña pero notable cuando se rompen.
Ejemplo de efecto de avalancha en un diodo
El uso de la ruptura de avalancha para controlar el voltaje en un circuito es un ejemplo del efecto de avalancha en un diodo.
En este caso, se hace que el diodo funcione en la región de ruptura inversa, donde el efecto de avalancha puede proporcionar una caída de voltaje estable y predecible.
El diodo se puede usar como una derivación para proteger otras partes contra sobrevoltaje o para limitar el voltaje a través de una carga.
El efecto de avalancha en un diodo es una forma clave de controlar el voltaje de manera muy precisa. Se puede encontrar en una amplia gama de dispositivos electrónicos.
Video: Explicación del efecto de desglose de avalancha y de desglose de Zener
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Importancia del Efecto Avalancha en Dispositivos Electrónicos
El efecto avalancha y el efecto Zener son dos tipos de fallas eléctricas que pueden ocurrir en diodos pn y otros dispositivos electrónicos.
El efecto de avalancha es un fenómeno físico básico que ocurre cuando un electrón u otra partícula cargada que ha sido acelerada por un fuerte campo eléctrico choca contra las moléculas de gas y las ioniza.
Este proceso produce nuevos electrones, que luego chocan con más electrones, creando una descarga que continúa por sí sola.
El efecto de avalancha se usa a menudo para fabricar dispositivos electrónicos, como diodos de avalancha, detectores de radiación y detectores de partículas.
Efecto zener
El efecto Zener es otro tipo de falla eléctrica que puede ocurrir en la electrónica, especialmente en los diodos pn que están polarizados en la dirección opuesta.
Cuando el campo eléctrico permite que los electrones pasen de la banda de valencia a la banda de conducción, se produce este efecto.
Esta creación repentina de portadores aumenta rápidamente la corriente inversa, lo que conduce a la conductancia de pendiente alta del diodo Zener.
El desglose de avalancha es diferente del efecto Zener.
En la ruptura de avalancha, los electrones portadores minoritarios en la región de transición son acelerados por el campo eléctrico a velocidades lo suficientemente altas como para liberar pares de electrones y huecos al chocar contra electrones enlazados.
Diferencia entre Zener Breakdown y Avalanche Breakdown
La forma en que ocurren la ruptura de Zener y la ruptura de avalancha es la principal diferencia entre los dos.
La ruptura de Zener ocurre cuando hay fuertes campos eléctricos, mientras que la ruptura de avalancha ocurre cuando los electrones libres y los átomos chocan entre sí.
Ambos problemas pueden ocurrir al mismo tiempo.
La ruptura de avalancha ocurre con más frecuencia en diodos que están hechos para funcionar en la región de ruptura inversa, mientras que la ruptura de Zener ocurre con mayor frecuencia en diodos que están ligeramente dopados y con voltajes más bajos.
Importancia del Efecto Avalancha en Dispositivos Electrónicos
El efecto avalancha es una parte clave de algunos dispositivos electrónicos, como los diodos de avalancha y los diodos de alto voltaje, porque permite controlar los voltajes en los circuitos eléctricos con gran precisión.
El efecto de avalancha se puede usar para muchas cosas, como regular el voltaje, proteger contra sobretensiones y cambiar rápidamente.
Los diodos de avalancha se utilizan a menudo para proteger los dispositivos electrónicos de los picos de tensión.
Los diodos de alto voltaje utilizan el efecto de avalancha para controlar el voltaje en los circuitos eléctricos de manera muy precisa.
Cálculo y Medida del Efecto Avalancha
Prueba del efecto de avalancha en dispositivos electrónicos
La prueba de conmutación inductiva sin sujeción (UIS) es una forma de probar dispositivos electrónicos de forma indirecta para el efecto de avalancha.
La prueba UIS no es una prueba directa del efecto de avalancha. En cambio, comprueba qué tan bien un MOSFET puede manejar picos de alto voltaje y caídas repentinas de voltaje.
Durante la prueba UIS, el interruptor se enciende para cargar el inductor hasta cierto nivel. Luego, el interruptor se apaga para permitir que ocurra el efecto de avalancha.
La cantidad de energía de avalancha depende del tamaño y la longitud del pico de voltaje que sujeta el dispositivo de silicio.
La clasificación de avalancha de MOSFET ayuda a verificar qué tan resistente es un dispositivo y filtra los MOSFET que son más débiles o tienen más probabilidades de romperse.
Pero es importante recordar que el efecto de avalancha no siempre es bueno en los dispositivos electrónicos porque puede causar que se averíen y fallen de manera destructiva.
Debido a esto, las personas que diseñan circuitos y fabrican dispositivos deben sopesar cuidadosamente los beneficios del efecto de avalancha frente a los riesgos de eventos de sobretensión y otras condiciones transitorias.
diodos de avalancha
Los diodos de avalancha son un tipo de diodo semiconductor que se rompe en una avalancha a un cierto voltaje.
La unión pn de un diodo de avalancha está hecha para detener la concentración de corriente y los puntos calientes que provienen de ella, de modo que el efecto de avalancha no dañe al diodo.
El diodo de avalancha se fabrica de la misma manera que el diodo Zener, y tanto la ruptura de Zener como la ruptura de avalancha pueden ocurrir en estos diodos.
Los diodos de avalancha están diseñados para funcionar mejor en condiciones de ruptura de avalancha, por lo que tienen una caída de voltaje pequeña pero notable cuando se rompen.
Los diodos de avalancha se pueden usar para muchas cosas, como regular el voltaje, proteger contra sobretensiones y cambiar rápidamente.
El efecto de avalancha es utilizado por diodos de alto voltaje para controlar el voltaje en circuitos eléctricos con gran precisión.
Mejora y promoción del efecto de avalancha
En algunos dispositivos electrónicos, el efecto de avalancha puede ser bueno porque hace que sea más difícil para los atacantes descifrar el texto sin formato a través del análisis estadístico.
Entonces, hay formas de hacer que el efecto de avalancha ocurra con más frecuencia en los circuitos, como:
Elevar el voltaje de polarización por encima de la ruptura
Una forma de hacer que un circuito tenga más probabilidades de tener un efecto de avalancha es elevar el voltaje de polarización por encima de la ruptura.
Pero para hacer esto, necesita un circuito que pueda captar el borde de ataque de la corriente de la avalancha y generar un pulso de salida estándar que se sincroniza con la acumulación de la avalancha.
Apagado activo
En este caso, el inicio brusco de la corriente de avalancha a través de una resistencia de 50 (o un transistor integrado) es captado por un discriminador rápido, que envía un pulso de salida digital.
Optimización de las concentraciones de dopaje
Optimizar las concentraciones de dopaje de dos capas personalizadas puede ayudar a obtener un campo eléctrico alto para la multiplicación de la avalancha de electrones producidos por la luz.
Este método se ha utilizado para mejorar la eficiencia cuántica en sensores de imagen. También se ha dicho que se usa en CMOS SPAD.
La estructura propuesta también utiliza una capa p-epitaxial con un perfil de dopaje en gradiente, lo que significa que la cantidad de dopaje aumenta a medida que se profundiza en la capa.
Tal perfil de dopaje de gradiente hace que la PDE sea aún mejor al facilitar que los electrones fotogenerados se muevan hacia arriba y se recopilen de manera eficiente en la dirección de la región de multiplicación de la avalancha.
La avalancha de Townsend
Es importante recordar que la avalancha de Townsend la inicia un solo electrón libre. Solo los electrones libres pueden moverse lo suficiente en un campo eléctrico para iniciar este proceso.
Si alguna vez te sientes aburrido y buscas un poco de emoción
¿Estás pensando en crear tu propio efecto de avalancha en casa? Simplemente reúna un fuerte campo eléctrico y unas pocas moléculas de gas, y listo: ¡tiene una descarga automantenida lista para funcionar!
Estoy bromeando, por supuesto.
Intentar hacer un efecto de avalancha fuera de un laboratorio controlado es peligroso y no es una buena idea.
Aunque la idea de una descarga automantenida puede sonar genial, puede tener efectos graves en los sistemas y dispositivos electrónicos.
casos de uso
| Utilizada en: | Descripción: |
|---|---|
| diodos de avalancha | Los diodos de avalancha son una de las formas más comunes en que se utiliza el efecto de avalancha. Estos diodos especiales están hechos para funcionar en la región donde ocurre el efecto de avalancha, que es la región de ruptura inversa. El resultado es un flujo de corriente constante y autolimitado que se puede utilizar para una amplia gama de tareas, como la regulación de voltaje, la protección contra sobretensiones y la conmutación rápida. |
| Detección de radiación | La detección de radiación es otro uso importante del efecto de avalancha. Se utiliza para fabricar detectores de radiación. Los tubos Geiger-Müller, en particular, son instrumentos que utilizan el efecto de avalancha para encontrar y medir la radiación ionizante. A medida que las partículas cargadas de la radiación pasan a través del tubo, ionizan las moléculas de gas y provocan una avalancha de electrones que se pueden ver y medir. |
| Reducción del ruido electrónico | El efecto de avalancha también se puede utilizar para reducir el ruido en ciertos tipos de circuitos electrónicos. En particular, cuando un diodo de avalancha se conecta en serie con una fuente de ruido, la naturaleza autolimitante del efecto de avalancha puede ayudar a reducir el nivel general de ruido en el sistema. |
| Física de Altas Energías | Por último, el efecto de avalancha es una parte clave de los experimentos de física de alta energía, donde puede usarse para encontrar y medir la presencia de partículas de alta energía. En particular, los detectores de partículas como la cámara de proyección de tiempo usan el efecto de avalancha para ionizar moléculas de gas y generar una señal que puede usarse para rastrear el movimiento de partículas cargadas. |
Conclusión
Como hemos visto en esta publicación, el efecto avalancha es un fenómeno interesante y complicado que tiene muchos efectos en los dispositivos y sistemas electrónicos.
El efecto de avalancha puede enseñarnos mucho, desde sus causas básicas hasta las formas en que se puede usar en el mundo real.
Pero aparte de los detalles técnicos, el efecto de avalancha ofrece una visión única de cómo funciona la electricidad y cómo interactúan las partículas cargadas y las moléculas de gas.
Nos recuerda el poder y el potencial de la electricidad, así como el delicado equilibrio entre energía y materia.
Como ingenieros y científicos, es importante no solo comprender los aspectos técnicos del efecto de avalancha, sino también apreciar la maravilla y el asombro que conlleva explorar los misterios del mundo físico.
Al adoptar un sentido de curiosidad y asombro, podemos encontrar nuevos conocimientos y oportunidades en nuestro trabajo, superando los límites de lo que es posible y dando forma al mundo del mañana.
Entonces, dejemos que el efecto de avalancha sea un recordatorio de cuán poderosas y útiles pueden ser la ciencia y la ingeniería, y un llamado a seguir explorando las maravillas de la naturaleza con mentes abiertas y una sensación de asombro interminable.
Juntos, podemos abrir nuevas áreas y hacer que el futuro sea mejor para todos.
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