Si vous êtes étudiant en ingénierie ou ingénieur, vous savez probablement à quel point la tension est importante en électronique.
Mais qu'en est-il de la tension d'avalanche ? Cette chose intéressante se produit lorsqu'une jonction semi-conductrice pn subit une augmentation soudaine du courant, ce qui provoque la rupture du matériau.
Même si cela ressemble à une force destructrice, la panne d'avalanche est maintenant une partie importante de nombreux appareils électroniques, tels que les photodiodes et les diodes Zener.
Comprendre la tension d'avalanche et comment elle peut être utilisée dans la vie réelle peut changer la donne pour les ingénieurs et les aider à réaliser des conceptions meilleures et plus efficaces.
Alors, venez avec nous pendant que je parle du monde fascinant de la tension d'avalanche et de la façon dont cela affecte le domaine de l'ingénierie.
Définition formelle:
La tension inverse nécessaire pour provoquer un claquage par avalanche dans une jonction semi-conductrice pn.
Tension d'avalanche et largeur de la couche d'appauvrissement
La tension d'avalanche est la tension à laquelle le claquage d'avalanche se produit dans une diode à jonction pn.
Lorsqu'une polarisation inverse est appliquée sur une jonction pn légèrement dopée, le champ électrique accélère les électrons dans la couche d'appauvrissement, leur donnant une grande vitesse.
Cette énergie peut provoquer l'ionisation des atomes dans le réseau cristallin, entraînant un flux de courant important.
Relation entre la largeur de la couche d'appauvrissement et la tension d'avalanche
La tension d'avalanche d'une diode est liée à la largeur de la couche d'appauvrissement dans une jonction semi-conductrice.
La partie de la jonction pn où il n'y a pas de porteurs de charge libres est appelée la couche d'appauvrissement.
Il se produit lorsque des porteurs minoritaires traversent la jonction pn. Cela crée une région avec une charge nette qui empêche davantage de transporteurs minoritaires de se déplacer.
La largeur de la couche d'appauvrissement dépend de la quantité de dopage et de la tension de polarisation utilisée. Les diodes avec des tensions de claquage élevées sont légèrement dopées, ce qui crée des couches d'appauvrissement larges.
Les diodes à faibles tensions de claquage, en revanche, sont fortement dopées, ce qui crée des couches d'appauvrissement étroites.
La tension d'avalanche sera plus grande si la couche d'appauvrissement est plus grande. En effet, les couches d'appauvrissement plus larges ont un champ électrique plus important, ce qui accélère les électrons à des vitesses plus rapides.
Cela fait que plus d'électrons deviennent des ions, de sorte que la tension de claquage est plus élevée.
Considérations sur la conception
Lors de la fabrication de diodes à jonction pn, il est important de penser à la relation entre la tension d'avalanche et la largeur de la couche d'appauvrissement.
Une diode avec une tension de claquage élevée est utile pour de nombreuses choses, comme la régulation de la tension et l'inversion du flux de puissance.
Pour obtenir une tension de claquage élevée, la couche d'appauvrissement doit être large, ce qui peut être réalisé en utilisant un matériau semi-conducteur légèrement dopé.
En bref, la tension d'avalanche est la tension à laquelle une panne d'avalanche provoque la panne d'une diode à jonction pn.
La tension d'avalanche est liée à la largeur de la couche d'appauvrissement car elle affecte la tension à laquelle la diode claque.
Comprendre la relation entre la tension d'avalanche et la largeur de la couche d'appauvrissement est important pour concevoir et optimiser des diodes à jonction pn pour différentes utilisations.
Répartition des avalanches dans les jonctions PN Semiconductor
Le claquage par avalanche est un processus qui se produit lorsque la tension inverse aux bornes d'une jonction pn légèrement dopée est supérieure à un certain niveau, appelé tension de claquage.
À cette tension, le champ électrique à la jonction est suffisamment fort pour pousser les électrons et les libérer de leurs liaisons covalentes.
Les électrons libres frappent alors d'autres atomes dans l'appareil, libérant plus d'électrons et provoquant une avalanche de courant.
C'est ce qu'on appelle la "multiplication de porteuse" et cela provoque une augmentation significative du flux de courant à travers la jonction pn.
Mécanisme de répartition des avalanches et comparaison avec la répartition de Zener
La panne d'avalanche se produit lorsque les électrons libres et les atomes de l'appareil se heurtent.
La panne de Zener, d'autre part, est causée par un fort champ électrique à travers la jonction pn.
La panne par avalanche et la panne de Zener impliquent la création et le mouvement d'électrons et de trous à l'intérieur du matériau semi-conducteur.
Mais la plus grande différence entre les deux types de rupture est la façon dont la paire électron-trou est formée.
Différences entre les pannes d'avalanche et de Zener
Le claquage par avalanche est irréversible et se produit à une tension inverse plus élevée que le claquage Zener.
La tension de claquage est contrôlée par la quantité de dopage dans le matériau semi-conducteur.
Au fur et à mesure que la quantité de dopage augmente, le coefficient de température de la méthode d'avalanche et la taille de la tension de claquage augmentent.
La rupture par avalanche se produit dans les matériaux avec une petite quantité de dopage, tandis que la rupture de Zener se produit dans les matériaux avec beaucoup de dopage.
La jonction d'une diode ne retournera pas là où elle était après une panne d'avalanche, mais elle retournera là où elle était après une panne de Zener.
Les pannes d'avalanche se produisent dans les parties épaisses du matériau semi-conducteur, tandis que les pannes de Zener se produisent dans les parties minces.
Il convient de noter que les deux types de panne ne sont pas susceptibles de se produire en même temps.
Chaque type de panne est causé par des choses différentes, et il est peu probable que les deux se produisent en même temps.
Vidéo : Comprendre l'effet d'avalanche : une introduction
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Applications pratiques de la répartition des avalanches
La rupture par avalanche est un phénomène qui peut se produire à la fois dans les matériaux isolants et semi-conducteurs.
C'est à ce moment qu'un courant important peut traverser des matériaux qui sont normalement de bons isolants.
Le processus peut être utilisé dans des appareils électroniques pour faire des choses utiles comme arrêter les surtensions, protéger contre les surtensions, utiliser comme référence de tension et créer des sources de courant.
Suppression des surtensions
Dans les circuits de suppression des surtensions, le claquage par avalanche est utilisé pour protéger les appareils électroniques contre les pointes de tension causées par la foudre, les impulsions électromagnétiques ou d'autres choses.
Dans ce cas, l'appareil à protéger est connecté en parallèle avec une diode à avalanche.
Lorsque la tension aux bornes de l'appareil est supérieure à la tension de claquage de la diode, la diode entre dans la région de claquage en avalanche, ce qui éloigne la tension supplémentaire de l'appareil protégé.
Cela empêche la montée subite de l'électricité de blesser l'appareil.
Circuits de protection contre les surtensions
La panne d'avalanche est également utilisée dans les circuits qui protègent les appareils électroniques contre les dommages causés par une tension excessive.
Dans ces circuits, l'appareil à protéger est connecté en série avec une diode à avalanche.
Lorsque la tension aux bornes du dispositif est supérieure à la tension de claquage de la diode, la diode entre dans la région de claquage en avalanche, ce qui limite la tension aux bornes du dispositif protégé.
Circuits de référence de tension
Dans les circuits de référence de tension, le claquage par avalanche est utilisé pour s'assurer que la tension de référence est stable et précise.
En tant que référence de tension, une diode à avalanche avec une polarisation vers l'arrière est utilisée dans ces circuits.
La tension de claquage de la diode est très stable et dépend de la quantité de dopage effectuée lors de sa réalisation. Cela en fait une excellente tension de référence pour les applications nécessitant une grande précision.
Sources actuelles
Le claquage par avalanche est utilisé dans les sources de courant où un courant stable est nécessaire, comme dans les circuits d'instrumentation et de mesure de précision.
Dans ces circuits, une diode à avalanche est connectée en série avec une résistance.
La tension de claquage de la diode et la valeur de la résistance déterminent la quantité de courant qui traverse le circuit.
Contrôle et prévention des avalanches
Dans les circuits électroniques, il existe plusieurs façons d'arrêter ou de contrôler le claquage par avalanche.
Diodes à avalanche
Une diode à avalanche est un moyen d'empêcher une avalanche de se briser. Les diodes à avalanche sont conçues pour fonctionner dans la région de claquage inverse et sont utilisées pour protéger les circuits des tensions indésirables.
La jonction d'une diode à avalanche est conçue pour se décomposer uniformément sur toute la jonction. Cela empêche le courant de se concentrer et de former des points chauds.
Contrairement à une diode sans avalanche, la tension de claquage d'une diode à avalanche reste presque la même lorsque le courant change.
Dispositifs de suppression des transitoires et blocage de tension
Les circuits électroniques peuvent également être protégés contre les pannes d'avalanche à l'aide de dispositifs de suppression de transitoires et de blocage de tension.
Les diodes Zener sont souvent utilisées pour bloquer la tension.
Lorsque deux diodes Zener avec la même tension de claquage inverse sont utilisées, une tension transitoire de l'une ou l'autre polarité sera bloquée au même niveau de tension Zener.
MOSFET
Lorsqu'une tension est supérieure à la tension de claquage du MOSFET, il peut également passer en mode avalanche, ce qui peut causer des problèmes.
La panne par avalanche dans les MOSFET peut être évitée avec une bonne conception de circuit et un choix judicieux des MOSFET avec les bonnes tensions nominales.
Autres moyens de prévenir les avalanches
Il existe d'autres moyens d'arrêter le claquage par avalanche dans les circuits électroniques que d'utiliser simplement des diodes à avalanche, des dispositifs de suppression des transitoires, un blocage de tension et un choix judicieux des MOSFET.
En voici quelques uns:
| Conseil de prévention : | Description: |
|---|---|
| Réglage du niveau de dopage de la diode | La tension de claquage d'une diode dépend de la quantité de dopage utilisée lors de sa fabrication. En modifiant le niveau de dopage, vous pouvez augmenter la tension de claquage par avalanche et empêcher le claquage par avalanche de se produire. |
| Augmentation de l'épaisseur de la région d'appauvrissement | La concentration de dopage et la tension de polarisation affectent l'épaisseur de la région d'appauvrissement dans une diode. En rendant la région d'appauvrissement plus épaisse, la tension de claquage par avalanche peut être augmentée et le claquage par avalanche peut être arrêté. |
| Bonne dissipation de la chaleur | Trop de chaleur peut briser les diodes et les faire tomber en panne. Les dissipateurs de chaleur et d'autres moyens de refroidir les choses peuvent aider à empêcher une avalanche de se décomposer. |
| Fusibles et parasurtenseurs | Les fusibles et les parasurtenseurs aident à protéger les circuits électroniques contre les surtensions et autres événements transitoires qui peuvent provoquer une panne d'avalanche. |
Répartition de la tension et des avalanches
Rigidité diélectrique et tension de claquage
La capacité d'un matériau à résister aux contraintes électriques sans se décomposer et devenir conducteur est mesurée par sa rigidité diélectrique. Les volts par centimètre sont un moyen courant de le mesurer.
Le risque de défaillance à cette tension est suffisamment faible pour que l'isolation puisse être réalisée en supposant qu'elle ne se rompra pas à cette tension.
Les tensions de claquage AC et les tensions de claquage impulsionnelles sont les deux façons de mesurer la rigidité diélectrique d'un matériau.
La tension alternative est la fréquence de ligne du secteur, tandis que la tension de claquage impulsionnelle imite les coups de foudre.
Il faut généralement 1,2 microseconde à l'onde pour atteindre 90 % d'amplitude, puis 50 microsecondes pour redescendre à 50 % d'amplitude.
Conclusion
En conclusion, la panne d'avalanche et la tension peuvent sembler être des idées compliquées que seuls les experts peuvent comprendre, mais ce sont toutes deux des éléments importants de l'électronique moderne.
En sachant comment ces choses fonctionnent et comment elles peuvent être utilisées dans des appareils électroniques, les ingénieurs peuvent créer des conceptions plus efficaces et uniques.
L'étude de la tension d'avalanche et du claquage peut être encore plus importante car elle montre à quel point l'électronique peut être puissante et utile.
Il est facile de tenir pour acquis les outils et les machines que nous utilisons tous les jours, mais il est étonnant de penser aux forces incroyables à l'œuvre à l'intérieur.
Ainsi, alors que vous continuez à apprendre sur l'ingénierie, n'oubliez pas d'être émerveillé par l'intelligence et la créativité qui entrent dans la fabrication de la technologie que nous utilisons tous les jours.
Qui peut dire? Peut-être serez-vous celui qui trouvera la prochaine grande chose en matière de panne ou de tension d'avalanche, ce qui conduira à des choses encore plus importantes à l'avenir.
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