Jos olet insinööriopiskelija tai insinööri, tiedät todennäköisesti kuinka tärkeä jännite on elektroniikassa.
Mutta entä lumivyöryjännite? Tämä mielenkiintoinen asia tapahtuu, kun pn-puolijohdeliitoksessa virta kasvaa äkillisesti, mikä aiheuttaa materiaalin hajoamisen.
Vaikka se kuulostaa tuhoisalta voimalta, lumivyöryjen rikkoutuminen on nyt tärkeä osa monissa elektronisissa laitteissa, kuten valodiodeissa ja Zener-diodeissa.
Lumivyöryjännitteen ymmärtäminen ja sen käyttö tosielämässä voi muuttaa insinöörejä ja auttaa heitä tekemään parempia ja tehokkaampia suunnitelmia.
Tule siis mukaan, kun puhun lumivyöryjännitteen kiehtovasta maailmasta ja kuinka se vaikuttaa tekniikan alaan.
Muodollinen määritelmä:
Käänteinen jännite, joka tarvitaan aiheuttamaan lumivyöryn rikkoutuminen pn-puolijohdeliitoksessa.
Lumivyöryn jännite ja tyhjennyskerroksen leveys
Lumivyöryjännite on jännite, jolla lumivyöry katkeaa pn-liitoksen diodissa.
Kun käänteinen bias asetetaan kevyesti seostettuun pn-liitokseen, sähkökenttä nopeuttaa elektroneja tyhjennyskerroksessa, mikä antaa niille paljon nopeutta.
Tämä energia voi aiheuttaa atomien ionisoitumista kidehilassa, mikä johtaa suureen virranvirtaukseen.
Suhde tyhjenemiskerroksen leveyden ja lumivyöryjännitteen välillä
Diodin lumivyöryjännite on suhteessa puolijohdeliitoksessa olevan kulumiskerroksen leveyteen.
Sitä pn-liitoksen osaa, jossa ei ole vapaita varauksenkantajia, kutsutaan tyhjennyskerrokseksi.
Se tehdään, kun vähemmistökantaajat liikkuvat pn-liitoksen yli. Tämä tekee alueesta, jossa on nettovaraus, joka estää useampaa vähemmistöoperaattoria liikkumasta.
Kuivauskerroksen leveys riippuu dopingin määrästä ja käytetystä biasjännitteestä. Diodit, joilla on korkea läpilyöntijännite, on kevyesti seostettu, mikä tekee tyhjennyskerroksista leveitä.
Diodit, joilla on alhainen läpilyöntijännitteet, ovat toisaalta voimakkaasti seostettuja, mikä tekee tyhjennyskerroksista kapeita.
Lumivyöryn jännite on suurempi, jos tyhjennyskerros on suurempi. Tämä johtuu siitä, että leveämmillä ehtymiskerroksilla on suurempi sähkökenttä, mikä nopeuttaa elektroneja nopeampiin nopeuksiin.
Tämä saa aikaan useamman elektronin muuttumisen ioneiksi, joten läpilyöntijännite on suurempi.
Suunnittelussa huomioonotettavia seikkoja
Pn-liitosdiodeja tehtäessä on tärkeää miettiä lumivyöryjännitteen ja tyhjennyskerroksen leveyden välistä suhdetta.
Diodi, jolla on korkea läpilyöntijännite, on hyödyllinen moniin asioihin, kuten jännitteen säätelyyn ja tehovirran kääntämiseen.
Korkean läpilyöntijännitteen saavuttamiseksi tyhjennyskerroksen tulee olla leveä, mikä voidaan saada aikaan käyttämällä kevyesti seostettua puolijohdemateriaalia.
Lyhyesti sanottuna lumivyöryjännite on jännite, jolla lumivyöryn rikkoutuminen aiheuttaa pn-liitosdiodin hajoamisen.
Lumivyöryn jännite on kytketty tyhjennyskerroksen leveyteen, koska se vaikuttaa jännitteeseen, jolla diodi hajoaa.
Lumivyöryjännitteen ja tyhjennyskerroksen leveyden välisen suhteen ymmärtäminen on tärkeää pn-liitosdiodien suunnittelussa ja optimoinnissa eri käyttötarkoituksiin.
Lumivyöryn hajoaminen PN Semiconductor Junctionsissa
Lumivyöryn rikkoutuminen on prosessi, joka tapahtuu, kun käänteinen jännite kevyesti seostetun pn-liitoksen yli on korkeampi kuin tietty taso, jota kutsutaan läpilyöntijännitteeksi.
Tällä jännitteellä sähkökenttä liitoksessa on tarpeeksi voimakas työntääkseen elektroneja ja irrottaakseen ne kovalenttisista sidoksista.
Vapaat elektronit osuvat sitten muihin laitteen atomeihin vapauttaen lisää elektroneja ja aiheuttaen virran lumivyöryn.
Tätä kutsutaan "kantoaallon kertolaskuksi", ja se saa pn-liitoksen läpi kulkevan virran lisääntymään merkittävästi.
Avalanche Breakdownin mekanismi ja vertailu Zenerin jakautumiseen
Lumivyöryn hajoaminen tapahtuu, kun laitteessa olevat vapaat elektronit ja atomit törmäävät toisiinsa.
Zenerin hajoamisen puolestaan aiheuttaa voimakas sähkökenttä pn-liitoksen poikki.
Sekä lumivyöryn rikkoutuminen että Zenerin rikkoutuminen liittyvät elektronien ja reikien syntymiseen ja liikkumiseen puolijohdemateriaalin sisällä.
Mutta suurin ero näiden kahden erittelytyypin välillä on se, miten elektroni-reikäpari tehdään.
Erot Avalanchen ja Zener Breakdowns välillä
Lumivyöryn rikkoutuminen on peruuttamaton ja tapahtuu suuremmalla käänteisjännitteellä kuin Zenerin rikkoutuminen.
Läpimurtojännitettä ohjaa puolijohdemateriaalissa olevan dopingin määrä.
Dopingin määrän kasvaessa sekä lumivyörymenetelmän lämpötilakerroin että läpilyöntijännitteen koko nousevat.
Lumivyöryn hajoaminen tapahtuu materiaaleissa, joissa on vähän dopingia, kun taas Zenerin hajoaminen tapahtuu materiaaleissa, joissa on paljon dopingia.
Diodin liitoskohta ei palaa siihen, missä se oli lumivyöryn rikkoutumisen jälkeen, mutta se palaa siihen, missä se oli Zenerin rikkoontumisen jälkeen.
Lumivyöryjä tapahtuu puolijohdemateriaalin paksuissa osissa, kun taas Zenerin rikkoutuminen tapahtuu ohuissa osissa.
On syytä huomata, että molemmat häiriötyypit eivät todennäköisesti tapahdu samanaikaisesti.
Jokainen häiriötyyppi johtuu eri asioista, ja on epätodennäköistä, että molemmat tapahtuvat samanaikaisesti.
Video: Lumivyöryn vaikutuksen ymmärtäminen: johdanto
Vinkki: Ota tekstityspainike käyttöön, jos tarvitset sitä. Valitse asetuspainikkeesta "automaattinen käännös", jos et tunne englannin kieltä. Sinun on ehkä napsautettava ensin videon kieltä, ennen kuin suosikkikielesi on saatavilla käännettäväksi.
Avalanche Breakdownin käytännön sovellukset
Lumivyöryn rikkoutuminen on ilmiö, joka voi tapahtua sekä eristys- että puolijohtavissa materiaaleissa.
Tällöin suuri virta voi virrata materiaalien läpi, jotka ovat normaalisti hyviä eristeitä.
Prosessia voidaan käyttää elektronisissa laitteissa hyödyllisten asioiden, kuten ylijännitteen pysäyttämiseen, ylijännitteen suojaamiseen, jänniteviittaukseen ja virtalähteiden tekemiseen.
Ylijännitesuojaus
Ylijännitesuojapiireissä lumivyöryä käytetään suojaamaan elektronisia laitteita salamaniskujen, sähkömagneettisten pulssien tai muiden tekijöiden aiheuttamilta jännitepiikkeiltä.
Tässä tapauksessa suojattava laite on kytketty rinnan lumivyörydiodin kanssa.
Kun laitteen jännite on korkeampi kuin diodin läpilyöntijännite, diodi siirtyy lumivyöry-alueelle, mikä vie ylimääräisen jännitteen suojattavalta laitteelta.
Tämä estää sähköiskun vahingoittamasta laitetta.
Ylijännitesuojapiirit
Lumivyöryn rikkoutumista käytetään myös piireissä, jotka suojaavat elektronisia laitteita liian suurelta jännitteeltä.
Näissä piireissä suojattava laite on kytketty sarjaan lumivyörydiodin kanssa.
Kun laitteen yli oleva jännite on korkeampi kuin diodin läpilyöntijännite, diodi menee lumivyöry-alueelle, mikä rajoittaa suojattavan laitteen jännitettä.
Jännitteen referenssipiirit
Jännitereferenssipiireissä käytetään lumivyöryä, jotta varmistetaan, että referenssijännite on vakaa ja tarkka.
Jännitereferenssinä näissä piireissä käytetään lumivyörydiodia, jonka bias on taaksepäin.
Diodin läpilyöntijännite on erittäin vakaa ja riippuu siitä, kuinka paljon dopingia valmistetaan. Tämä tekee siitä erinomaisen vertailujännitteen sovelluksille, jotka vaativat suurta tarkkuutta.
Nykyiset lähteet
Lumivyöryä käytetään virtalähteissä, joissa tarvitaan vakaata virtaa, kuten tarkkuusinstrumenteissa ja mittauspiireissä.
Näissä piireissä lumivyörydiodi on kytketty sarjaan vastuksen kanssa.
Diodin läpilyöntijännite ja vastuksen arvo määräävät kuinka paljon virtaa virtaa piirin läpi.
Lumivyöryn torjunta ja ehkäisy
Elektroniikkapiireissä on useita tapoja pysäyttää tai hallita lumivyöryjen rikkoutumista.
Lumivyörydiodit
Lumivyörydiodi on yksi tapa estää lumivyöryä hajoamasta. Lumivyörydiodit on tehty toimimaan käänteishäiriöalueella ja niitä käytetään suojaamaan piirejä ei-toivotuilta jännitteiltä.
Lumivyörydiodin liitoskohta on tehty hajoamaan tasaisesti koko liitoskohdassa. Tämä estää virran keskittymisen ja kuumien pisteiden muodostumisen.
Toisin kuin ei-vyörydiodissa, lumivyörydiodin läpilyöntijännite pysyy lähes samana virran muuttuessa.
Transienttien vaimennuslaitteet ja jännitteen kiinnitys
Elektroniikkapiirejä voidaan myös suojata lumivyöryiltä ohimenevien vaimennuslaitteiden ja jännitteenpuristuksen avulla.
Zener-diodeja käytetään usein jännitteen kiristämiseen.
Kun käytetään kahta zener-diodia, joilla on sama käänteinen läpilyöntijännite, jommankumman napaisuuden transienttijännite puristetaan samalla zener-jännitetasolla.
MOSFETit
Kun jännite on korkeampi kuin MOSFETin läpilyöntijännite, se voi myös mennä lumivyörytilaan, mikä voi aiheuttaa ongelmia.
MOSFETien lumivyöryjen rikkoutuminen voidaan välttää hyvällä piirisuunnittelulla ja huolellisella MOSFET:ien valinnalla oikeilla jännitearvoilla.
Muita tapoja estää lumivyöryn hajoaminen
On muitakin tapoja pysäyttää lumivyöryn hajoaminen elektronisissa piireissä kuin vain käyttämällä lumivyörydiodeja, transienttia vaimennuslaitteita, jännitteen kiinnitystä ja MOSFETien huolellista valintaa.
Tässä muutama niistä:
| Ennaltaehkäisyvinkki: | Kuvaus: |
|---|---|
| Diodin dopingtason säätö | Diodin läpilyöntijännite riippuu siitä, kuinka paljon dopingia käytetään sen valmistuksessa. Muuttamalla dopingin tasoa voit nostaa lumivyöryjännitteen ja estää lumivyöryn rikkoutumisen. |
| Lisätään tyhjennysalueen paksuutta | Seostuspitoisuus ja bias-jännite vaikuttavat diodin tyhjennysalueen paksuuteen. Paksuttamalla tyhjennysaluetta voidaan nostaa lumivyöryn läpilyöntijännitettä ja pysäyttää lumivyöryn läpilyönti. |
| Oikea lämmönpoisto | Liian suuri lämpö voi rikkoa diodit ja aiheuttaa niiden toimintahäiriön. Jäähdytyselementit ja muut tavat jäähdyttää asioita voivat auttaa estämään lumivyöryn murtumasta. |
| Sulakkeet ja ylijännitesuojat | Sulakkeet ja ylijännitesuojat auttavat suojaamaan elektronisia piirejä jännitepiikkeiltä ja muilta ohimeneviltä tapahtumista, jotka voivat aiheuttaa lumivyöryhäiriön. |
Jännitteen ja lumivyöryjen rikkoutuminen
Dielektrinen lujuus ja läpimenojännite
Materiaalin kyky kestää sähköistä rasitusta hajoamatta ja muuttumatta johtavaksi mitataan sen dielektrisellä lujuudella. Voltit senttimetriä kohti ovat yleinen tapa mitata se.
Vian mahdollisuus tällä jännitteellä on riittävän pieni, jotta eristys voidaan tehdä olettaen, että se ei katkea tällä jännitteellä.
AC läpilyöntijännitteet ja impulssiläpijännitteet ovat molemmat tapoja mitata materiaalin dielektristä lujuutta.
Vaihtojännite on verkkovirran linjataajuus, kun taas impulssin läpilyöntijännite jäljittelee salamaniskua.
Aallon amplitudin nouseminen 90 %:iin kestää yleensä 1,2 mikrosekuntia ja sitten 50 mikrosekuntia laskeakseen takaisin 50 %:iin.
Johtopäätös
Yhteenvetona voidaan todeta, että lumivyöryjen rikkoutuminen ja jännite voivat tuntua monimutkaisilta ideoilta, joita vain asiantuntijat voivat ymmärtää, mutta ne ovat molemmat tärkeitä osia nykyaikaista elektroniikkaa.
Tietämällä, miten nämä asiat toimivat ja kuinka niitä voidaan käyttää elektronisissa laitteissa, insinöörit voivat tehdä malleja, jotka ovat tehokkaampia ja ainutlaatuisia.
Lumivyöryn jännitteen ja rikkoutumisen tutkiminen voi olla vielä tärkeämpää, koska se osoittaa, kuinka tehokasta ja hyödyllistä elektroniikka voi olla.
Päivittäin käyttämiämme työkaluja ja koneita on helppo pitää itsestäänselvyytenä, mutta on hämmästyttävää ajatella niiden sisällä vaikuttavia ihmeellisiä voimia.
Joten kun opit jatkuvasti tekniikasta, älä unohda hämmästyä älykkyydestä ja luovuudesta, jota käytetään päivittäin käyttämämme teknologian valmistamiseen.
Kuka voi sanoa? Ehkä sinä löydät seuraavan suuren asian lumivyöryssä tai jännitteessä, mikä johtaa vielä suurempiin asioihin tulevaisuudessa.
Jaa…
