Si eres estudiante de ingeniería o ingeniero, probablemente sepas lo importante que es el voltaje en la electrónica.
Pero, ¿qué pasa con el voltaje de avalancha? Esta cosa interesante sucede cuando una unión semiconductora pn tiene un aumento repentino de corriente, lo que hace que el material se rompa.
Aunque suene como una fuerza destructiva, la descomposición por avalancha es ahora una parte importante de muchos dispositivos electrónicos, como los fotodiodos y los diodos Zener.
Comprender el voltaje de avalancha y cómo se puede usar en la vida real puede cambiar las reglas del juego para los ingenieros y ayudarlos a hacer diseños mejores y más eficientes.
Entonces, acompáñenos mientras hablo sobre el fascinante mundo del voltaje de avalancha y cómo afecta el campo de la ingeniería.
Definicion formal:
El voltaje inverso requerido para causar una ruptura por avalancha en una unión semiconductora pn.
Voltaje de avalancha y ancho de capa de agotamiento
El voltaje de avalancha es el voltaje al que ocurre la ruptura de avalancha en un diodo de unión pn.
Cuando se coloca una polarización inversa en una unión pn ligeramente dopada, el campo eléctrico acelera los electrones en la capa de agotamiento, dándoles mucha velocidad.
Esta energía puede provocar la ionización de los átomos en la red cristalina, lo que da como resultado un gran flujo de corriente.
Relación entre el ancho de la capa de agotamiento y el voltaje de avalancha
El voltaje de avalancha de un diodo está relacionado con el ancho de la capa de agotamiento en una unión de semiconductores.
La parte de la unión pn donde no hay portadores de carga libres se denomina capa de agotamiento.
Se realiza cuando los transportistas minoritarios cruzan el cruce pn. Esto crea una región con una carga neta que impide que más operadores minoritarios se muevan.
El ancho de la capa de agotamiento depende de la cantidad de dopaje y el voltaje de polarización que se utiliza. Los diodos con altos voltajes de ruptura están ligeramente dopados, lo que genera capas de agotamiento que son anchas.
Los diodos con voltajes de ruptura bajos, por otro lado, están fuertemente dopados, lo que hace que las capas de agotamiento sean estrechas.
El voltaje de avalancha será mayor si la capa de agotamiento es más grande. Esto se debe a que las capas de agotamiento más anchas tienen un campo eléctrico más grande, lo que acelera los electrones a velocidades más rápidas.
Esto hace que más electrones se conviertan en iones, por lo que el voltaje de ruptura es mayor.
Consideraciones de diseño
Al fabricar diodos de unión pn, es importante pensar en la relación entre el voltaje de avalancha y el ancho de la capa de agotamiento.
Un diodo con un alto voltaje de ruptura es útil para muchas cosas, como regular el voltaje e invertir el flujo de energía.
Para lograr un alto voltaje de ruptura, la capa de agotamiento debe ser ancha, lo que se puede lograr usando material semiconductor ligeramente dopado.
En resumen, el voltaje de avalancha es el voltaje al que la ruptura de avalancha hace que se rompa un diodo de unión pn.
El voltaje de avalancha está relacionado con el ancho de la capa de agotamiento porque afecta el voltaje al que se descompone el diodo.
Comprender la relación entre el voltaje de avalancha y el ancho de la capa de agotamiento es importante para diseñar y optimizar los diodos de unión pn para diferentes usos.
Falla de avalancha en uniones de semiconductores PN
La ruptura por avalancha es un proceso que ocurre cuando el voltaje inverso a través de una unión pn ligeramente dopada es superior a cierto nivel, llamado voltaje de ruptura.
A este voltaje, el campo eléctrico en la unión es lo suficientemente fuerte como para empujar los electrones y liberarlos de sus enlaces covalentes.
Los electrones libres luego golpean otros átomos en el dispositivo, liberando más electrones y provocando una avalancha de corriente.
Esto se llama "multiplicación de portadores" y hace que el flujo de corriente a través de la unión pn aumente significativamente.
Mecanismo de ruptura de avalancha y comparación con ruptura de Zener
La ruptura de la avalancha ocurre cuando los electrones libres y los átomos en el dispositivo chocan entre sí.
La ruptura de Zener, por otro lado, es causada por un fuerte campo eléctrico a través de la unión pn.
Tanto la ruptura de avalancha como la ruptura de Zener implican la creación y el movimiento de electrones y huecos dentro del material semiconductor.
Pero la mayor diferencia entre los dos tipos de descomposición es cómo se forma el par electrón-hueco.
Diferencias entre Avalanche y Zener Breakdowns
La ruptura de avalancha es irreversible y ocurre a un voltaje inverso más alto que la ruptura de Zener.
El voltaje de ruptura está controlado por la cantidad de dopaje en el material semiconductor.
A medida que aumenta la cantidad de dopaje, aumentan tanto el coeficiente de temperatura del método de avalancha como el tamaño del voltaje de ruptura.
La ruptura de avalancha ocurre en materiales con una pequeña cantidad de dopaje, mientras que la ruptura de Zener ocurre en materiales con mucho dopaje.
La unión de un diodo no volverá a donde estaba después de una falla por avalancha, pero volverá a donde estaba después de una falla por Zener.
Las averías de avalancha ocurren en partes gruesas del material semiconductor, mientras que las averías de Zener ocurren en partes delgadas.
Vale la pena señalar que no es probable que ambos tipos de fallas ocurran al mismo tiempo.
Cada tipo de avería es causada por cosas diferentes y es poco probable que ambas sucedan al mismo tiempo.
Video: Comprender el efecto de avalancha: una introducción
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Aplicaciones prácticas de avería de avalancha
La ruptura por avalancha es un fenómeno que puede ocurrir tanto en materiales aislantes como semiconductores.
Esto es cuando una gran corriente puede fluir a través de materiales que normalmente son buenos aislantes.
El proceso se puede usar en dispositivos electrónicos para hacer cosas útiles como detener sobretensiones, proteger contra sobrevoltaje, usar como referencia de voltaje y generar fuentes de corriente.
Supresión de sobretensiones
En los circuitos de supresión de sobretensiones, la ruptura de avalancha se utiliza para proteger los dispositivos electrónicos de picos de voltaje causados por rayos, pulsos electromagnéticos u otras cosas.
En este caso, el dispositivo a proteger se conecta en paralelo con un diodo de avalancha.
Cuando el voltaje a través del dispositivo es más alto que el voltaje de ruptura del diodo, el diodo entra en la región de ruptura de avalancha, lo que le quita el voltaje extra al dispositivo que se está protegiendo.
Esto evita que la oleada de electricidad dañe el dispositivo.
Circuitos de protección contra sobretensiones
La ruptura de avalancha también se usa en circuitos que protegen los dispositivos electrónicos para que no sean dañados por demasiado voltaje.
En estos circuitos, el dispositivo a proteger se conecta en serie con un diodo de avalancha.
Cuando el voltaje a través del dispositivo es más alto que el voltaje de ruptura del diodo, el diodo entra en la región de ruptura de avalancha, lo que limita el voltaje a través del dispositivo que se está protegiendo.
Circuitos de referencia de voltaje
En los circuitos de referencia de voltaje, la ruptura de avalancha se usa para garantizar que el voltaje de referencia sea estable y preciso.
Como referencia de tensión, en estos circuitos se utiliza un diodo de avalancha con polarización inversa.
El voltaje de ruptura del diodo es muy estable y depende de cuánto dopaje se haga cuando se hace. Esto lo convierte en un excelente voltaje de referencia para aplicaciones que requieren alta precisión.
Fuentes actuales
La ruptura de avalancha se utiliza en fuentes de corriente donde se necesita una corriente estable, como en instrumentación de precisión y circuitos de medición.
En estos circuitos, un diodo de avalancha está conectado en serie con una resistencia.
El voltaje de ruptura del diodo y el valor de la resistencia determinan cuánta corriente fluye a través del circuito.
Control y Prevención de Falla de Avalancha
En los circuitos electrónicos, hay varias formas de detener o controlar la ruptura de una avalancha.
diodos de avalancha
Un diodo de avalancha es una forma de evitar que una avalancha se rompa. Los diodos de avalancha están hechos para funcionar en la región de ruptura inversa y se utilizan para proteger los circuitos de voltajes que no se desean.
La unión de un diodo de avalancha se rompe uniformemente en toda la unión. Esto evita que la corriente se concentre y que se formen puntos calientes.
A diferencia de un diodo que no es de avalancha, el voltaje de ruptura de un diodo de avalancha permanece casi igual a medida que cambia la corriente.
Dispositivos de supresión de transitorios y sujeción de voltaje
Los circuitos electrónicos también pueden protegerse de la ruptura por avalancha con la ayuda de dispositivos de supresión de transitorios y sujeción de voltaje.
Los diodos Zener se utilizan a menudo para sujetar el voltaje.
Cuando se utilizan dos diodos zener con el mismo voltaje de ruptura inverso, un voltaje transitorio de cualquier polaridad se sujetará al mismo nivel de voltaje zener.
MOSFET
Cuando un voltaje es más alto que el voltaje de ruptura del MOSFET, también puede entrar en un modo de avalancha, lo que puede causar problemas.
La ruptura por avalancha en los MOSFET se puede evitar con un buen diseño de circuito y una elección cuidadosa de los MOSFET con las clasificaciones de voltaje correctas.
Formas adicionales de prevenir averías por avalancha
Hay más formas de detener la ruptura de avalancha en los circuitos electrónicos que simplemente usar diodos de avalancha, dispositivos de supresión de transitorios, sujeción de voltaje y una elección cuidadosa de MOSFET.
Éstos son algunos de ellos:
| Consejo de prevención: | Descripción: |
|---|---|
| Ajuste del nivel de dopaje del diodo | El voltaje de ruptura de un diodo depende de la cantidad de dopaje que se usa cuando se fabrica. Al cambiar el nivel de dopaje, puede aumentar el voltaje de ruptura de la avalancha y evitar que ocurra la ruptura de la avalancha. |
| Aumentar el espesor de la región de agotamiento | La concentración de dopaje y el voltaje de polarización afectan el grosor de la región de agotamiento en un diodo. Al hacer que la región de agotamiento sea más gruesa, se puede aumentar el voltaje de ruptura de la avalancha y se puede detener la ruptura de la avalancha. |
| Disipación de calor adecuada | Demasiado calor puede romper los diodos y hacer que fallen. Los disipadores de calor y otras formas de enfriar las cosas pueden ayudar a evitar que se rompa una avalancha. |
| Fusibles y protectores contra sobretensiones | Los fusibles y los protectores contra sobretensiones ayudan a proteger los circuitos electrónicos de las sobretensiones y otros eventos transitorios que pueden causar fallas por avalancha. |
Desglose de voltaje y avalancha
Rigidez dieléctrica y voltaje de ruptura
La capacidad de un material para resistir la tensión eléctrica sin romperse y volverse conductor se mide por su rigidez dieléctrica. Los voltios por centímetro son una forma común de medirlo.
La probabilidad de falla a este voltaje es lo suficientemente baja como para que se pueda hacer el aislamiento asumiendo que no se romperá a este voltaje.
Los voltajes de ruptura de CA y los voltajes de ruptura de impulso son formas de medir la rigidez dieléctrica de un material.
El voltaje de CA es la frecuencia de línea de la red eléctrica, mientras que el voltaje de ruptura de impulso imita los rayos.
Por lo general, la onda tarda 1,2 microsegundos en aumentar al 90 % de amplitud, luego 50 microsegundos en volver a bajar al 50 % de amplitud.
Conclusión
En conclusión, la ruptura por avalancha y el voltaje pueden parecer ideas complicadas que solo los expertos pueden entender, pero ambas son partes importantes de la electrónica moderna.
Al saber cómo funcionan estas cosas y cómo se pueden usar en dispositivos electrónicos, los ingenieros pueden hacer diseños que sean más eficientes y únicos.
El estudio del voltaje de avalancha y la ruptura puede ser aún más importante porque muestra cuán poderosa y útil puede ser la electrónica.
Es fácil dar por sentadas las herramientas y máquinas que usamos todos los días, pero es asombroso pensar en las asombrosas fuerzas que trabajan dentro de ellas.
Entonces, a medida que siga aprendiendo sobre ingeniería, no olvide sorprenderse con la inteligencia y la creatividad que se utilizan para crear la tecnología que usamos todos los días.
¿Quién puede decir? Tal vez usted sea el que encuentre el próximo gran avance en la ruptura de avalanchas o el voltaje, lo que conducirá a cosas aún más grandes en el futuro.
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