Ha Ön mérnökhallgató vagy mérnök, valószínűleg tudja, milyen fontos a feszültség az elektronikában.
De mi a helyzet a lavinafeszültséggel? Ez az érdekes dolog akkor történik, amikor egy pn félvezető átmenetben hirtelen megnövekszik az áram, ami az anyag tönkremenetelét okozza.
Annak ellenére, hogy pusztító erőnek hangzik, a lavinatörés ma már számos elektronikus eszköz, például a fotodiódák és a Zener-diódák fontos része.
A lavinafeszültség megértése és a valós életben való felhasználása megváltoztathatja a mérnököket, és segíthet jobb, hatékonyabb tervek elkészítésében.
Szóval, gyere velünk, amikor a lavinafeszültség lenyűgöző világáról beszélek, és arról, hogy ez hogyan hat a mérnöki területre.
Formális meghatározás:
Az a fordított feszültség, amely a lavina letöréséhez szükséges egy pn félvezető átmenetben.
Lavinafeszültség és kimerülési réteg szélessége
A lavinafeszültség az a feszültség, amelynél a lavina letörése megtörténik a pn átmenet diódájában.
Ha fordított előfeszítést helyezünk egy enyhén adalékolt pn átmenetre, az elektromos mező felgyorsítja az elektronokat a kimerítő rétegben, ami nagy sebességet biztosít nekik.
Ez az energia a kristályrácsban lévő atomok ionizációját idézheti elő, ami nagy áramáramlást eredményez.
A kimerülési réteg szélessége és a lavinafeszültség kapcsolata
A dióda lavinafeszültsége a félvezető csomópontban lévő kimerülési réteg szélességéhez kapcsolódik.
A pn átmenetnek azt a részét, ahol nincsenek szabad töltéshordozók, kimerítő rétegnek nevezzük.
Akkor jön létre, amikor a kisebbségi hordozók áthaladnak a pn csomóponton. Ez olyan nettó töltéssel rendelkező régiót eredményez, amely több kisebbségi fuvarozó mozgását megakadályozza.
Az, hogy a kimerítő réteg milyen széles, az adalékanyag mennyiségétől és a használt előfeszítő feszültségtől függ. A nagy áttörési feszültségű diódák enyhén adalékoltak, ami széles kimerítő réteget eredményez.
Az alacsony áttörési feszültségű diódák ezzel szemben erősen adalékkal vannak ellátva, ami miatt a kimerítő rétegek keskenyek.
A lavinafeszültség nagyobb lesz, ha a kimerülési réteg nagyobb. Ennek az az oka, hogy a szélesebb kimerülési rétegek nagyobb elektromos mezővel rendelkeznek, ami az elektronokat gyorsabb sebességre gyorsítja.
Emiatt több elektron válik ionná, így nagyobb a letörési feszültség.
Tervezési szempontok
A pn átmenet diódák készítésénél fontos átgondolni a lavinafeszültség és a kimerülési réteg szélessége közötti összefüggést.
A nagy áttörési feszültségű dióda sok mindenre hasznos, például a feszültség szabályozására és a teljesítmény megfordítására.
A nagy áttörési feszültség eléréséhez a kimerítő rétegnek szélesnek kell lennie, ami enyhén adalékolt félvezető anyag felhasználásával valósítható meg.
Röviden, a lavinafeszültség az a feszültség, amelyen a lavina letörése a pn átmenet diódáját okozza.
A lavinafeszültség a kimerülési réteg szélességéhez van kötve, mert befolyásolja azt a feszültséget, amelynél a dióda tönkremegy.
A lavinafeszültség és a kimerülési réteg szélessége közötti kapcsolat megértése fontos a pn átmenet diódák különböző felhasználási célokra történő tervezése és optimalizálása szempontjából.
Lavinatörés a PN félvezető csomópontokban
A lavinaletörés egy olyan folyamat, amely akkor következik be, amikor az enyhén adalékolt pn átmeneten a fordított feszültség magasabb, mint egy bizonyos szint, amelyet áttörési feszültségnek neveznek.
Ennél a feszültségnél az elektromos tér a csomópontban elég erős ahhoz, hogy rányomja az elektronokat és megszakítsa őket kovalens kötéseiktől.
A szabad elektronok ezután a készülékben lévő többi atomot eltalálják, több elektront szabadítva fel, és áramlavinát okozva.
Ezt "vivőszorzásnak" nevezik, és ez a pn átmeneten keresztüli áram jelentős növekedését okozza.
A lavina lebontásának mechanizmusa és összehasonlítása a Zener lebontással
A lavina lebontása akkor következik be, amikor az eszközben lévő szabad elektronok és atomok egymásba ütköznek.
A Zener lebontását viszont a pn átmeneten átívelő erős elektromos tér okozza.
Mind a lavina-, mind a Zener-letörés magában foglalja az elektronok és lyukak létrehozását és mozgását a félvezető anyagában.
De a legnagyobb különbség a két bontási típus között az elektron-lyuk pár létrehozásának módja.
Különbségek az Avalanche és a Zener Breakdowns között
A lavina meghibásodása visszafordíthatatlan, és nagyobb fordított feszültségen történik, mint a Zener-letörés.
A letörési feszültséget a félvezető anyagban lévő adalékanyag mennyisége szabályozza.
A dopping mennyiségének növekedésével mind a lavina módszer hőmérsékleti együtthatója, mind az áttörési feszültség nagysága nő.
A kis mennyiségű adalékot tartalmazó anyagokban lavinabontás történik, míg a sok adalékot tartalmazó anyagokban a Zener-lebomlás.
A dióda csomópontja nem megy vissza oda, ahol volt lavinatörés után, de visszakerül oda, ahol a Zener törés után volt.
A lavinatörés a félvezető anyag vastag részein történik, míg a Zener-letörés vékony részeken.
Érdemes megjegyezni, hogy a két típusú meghibásodás valószínűleg nem történik meg egyszerre.
Minden típusú meghibásodást más és más dolog okoz, és nem valószínű, hogy mindkettő egyszerre fog bekövetkezni.
Videó: A lavinahatás megértése: bevezető
Tipp: Kapcsolja be a felirat gombot, ha szüksége van rá. Válassza az „automatikus fordítás” lehetőséget a beállítások gombban, ha nem ismeri az angol nyelvet. Előfordulhat, hogy először a videó nyelvére kell kattintania, mielőtt kedvenc nyelve elérhetővé válik a fordításhoz.
A lavinaletörés gyakorlati alkalmazásai
A lavinatörés olyan jelenség, amely szigetelő és félvezető anyagoknál egyaránt előfordulhat.
Ilyenkor nagy áram tud átfolyni olyan anyagokon, amelyek általában jó szigetelők.
Az eljárás felhasználható elektronikus eszközökben hasznos dolgok elvégzésére, például túlfeszültség leállítására, túlfeszültség elleni védelemre, feszültség referenciaként való felhasználására és áramforrások létrehozására.
Túlfeszültség elnyomás
A túlfeszültség-csökkentő áramkörökben a lavinaletörést arra használják, hogy megvédjék az elektronikus eszközöket a villámcsapások, elektromágneses impulzusok vagy egyéb dolgok által okozott feszültségcsúcsoktól.
Ebben az esetben a védendő eszköz párhuzamosan lavinadiódával van csatlakoztatva.
Ha az eszközön lévő feszültség nagyobb, mint a dióda áttörési feszültsége, a dióda a lavinaletörési tartományba kerül, ami elveszi a többletfeszültséget a védett eszköztől.
Ez megakadályozza, hogy a túlfeszültség károsítsa a készüléket.
Túlfeszültség védelmi áramkörök
A lavinatörést olyan áramkörökben is alkalmazzák, amelyek megvédik az elektronikus eszközöket a túl sok feszültségtől.
Ezekben az áramkörökben a védendő eszköz lavinadiódával sorba van kötve.
Ha az eszközön lévő feszültség magasabb, mint a dióda áttörési feszültsége, a dióda a lavina áttörési tartományba kerül, ami korlátozza a védett eszköz feszültségét.
Feszültség referencia áramkörök
A feszültség-referenciaáramkörökben lavinaletörést használnak annak biztosítására, hogy a referenciafeszültség stabil és pontos legyen.
Feszültségreferenciaként egy visszafelé előfeszített lavinadiódát használnak ezekben az áramkörökben.
A dióda áttörési feszültsége nagyon stabil, és attól függ, hogy mennyi adalékolást végeznek az elkészítésekor. Ez kiváló referenciafeszültséggé teszi a nagy pontosságot igénylő alkalmazásokhoz.
Aktuális források
A lavinaletörést olyan áramforrásoknál alkalmazzák, ahol stabil áramra van szükség, például precíziós műszerekben és mérőáramkörökben.
Ezekben az áramkörökben egy lavinadióda sorba van kötve egy ellenállással.
A dióda áttörési feszültsége és az ellenállás értéke határozza meg, hogy mekkora áram folyik át az áramkörön.
A lavina letörésének ellenőrzése és megelőzése
Az elektronikus áramkörökben számos módja van a lavina letörésének megállítására vagy szabályozására.
Lavina diódák
A lavinadióda az egyik módja annak, hogy megakadályozzuk a lavina feltörését. A lavinadiódák a fordított leállási tartományban működnek, és arra szolgálnak, hogy megvédjék az áramköröket a nem kívánt feszültségektől.
A lavinadióda csomópontja egyenletesen lebomlik az egész csomóponton. Ez megakadályozza az áram koncentrálódását és a forró pontok kialakulását.
Ellentétben a nem lavina diódával, a lavinadióda áttörési feszültsége az áram változásával közel azonos marad.
Tranziens elnyomó eszközök és feszültségrögzítés
Az elektronikus áramkörök a lavinatörés ellen is biztonságossá tehetők tranziens elnyomó eszközök és feszültségleszorítás segítségével.
A Zener diódákat gyakran használják a feszültség rögzítésére.
Ha két zener-diódát használnak azonos fordított áttörési feszültséggel, akkor bármelyik polaritású tranziens feszültség ugyanazon a Zener feszültségszinten lesz rögzítve.
MOSFET-ek
Ha a feszültség nagyobb, mint a MOSFET letörési feszültsége, akkor lavina üzemmódba is kerülhet, ami problémákat okozhat.
A MOSFET-ek lavinatörése elkerülhető jó áramkör-tervezéssel és a megfelelő feszültségű MOSFET-ek gondos megválasztásával.
További módszerek a lavina letörésének megelőzésére
Az elektronikus áramkörökben bekövetkező lavinatörés megállítására több módszer is létezik, mint pusztán lavinadiódák, tranziens elnyomó eszközök, feszültségrögzítés és a MOSFET-ek gondos megválasztása.
Itt van néhány közülük:
| Megelőzési tipp: | Leírás: |
|---|---|
| A dióda adalékolási szintjének beállítása | A dióda áttörési feszültsége attól függ, hogy mennyi adalékanyagot használnak fel az elkészítésekor. A dopping szintjének megváltoztatásával megemelheti a lavinaletörési feszültséget, és megakadályozhatja a lavinaletörést. |
| A kimerülési régió vastagságának növelése | Az adalékanyag koncentrációja és az előfeszítő feszültség befolyásolja a kimerülési tartomány vastagságát a diódában. A kimerülési tartomány vastagabbá tételével a lavinaletörési feszültség megemelhető és a lavinaletörés megállítható. |
| Megfelelő hőelvezetés | A túl sok hő tönkreteheti a diódákat, és meghibásodhat. A hűtőbordák és a dolgok lehűtésének egyéb módjai segíthetnek megakadályozni a lavina letörését. |
| Biztosítékok és túlfeszültségvédők | A biztosítékok és a túlfeszültségvédők segítenek megvédeni az elektronikus áramköröket a túlfeszültségtől és más átmeneti eseményektől, amelyek lavinahibát okozhatnak. |
Feszültség és lavina leállás
Dielektromos szilárdság és áttörési feszültség
Az anyag azon képességét, hogy ellenálljon az elektromos igénybevételnek anélkül, hogy lebomlana és vezetővé válik, a dielektromos szilárdságán mérjük. A volt/centiméter a mérés általános módja.
Ennél a feszültségnél a meghibásodás esélye elég kicsi ahhoz, hogy a szigetelés elkészíthető azzal a feltételezéssel, hogy ezen a feszültségen nem szakad el.
Az AC áttörési feszültség és az impulzus áttörési feszültség egyaránt alkalmas az anyag dielektromos szilárdságának mérésére.
Az AC feszültség a hálózat vonali frekvenciája, míg az impulzusletörési feszültség villámcsapást imitál.
Általában 1,2 mikroszekundumra van szükség, hogy a hullám 90%-os amplitúdójúra emelkedjen, majd 50 mikroszekundumra van szükség ahhoz, hogy visszaessen 50%-ra.
Következtetés
Összefoglalva, a lavinatörés és a feszültség bonyolult ötleteknek tűnhet, amelyeket csak a szakértők érthetnek meg, de mindkettő fontos része a modern elektronikának.
Ha ismerik ezeknek a dolgoknak a működését és az elektronikus eszközökben való felhasználásukat, a mérnökök hatékonyabb és egyedibb terveket készíthetnek.
A lavinafeszültség és a letörés vizsgálata még fontosabb lehet, mert megmutatja, milyen erős és hasznos lehet az elektronika.
Könnyű természetesnek venni azokat a szerszámokat és gépeket, amelyeket mindennap használunk, de elképesztő belegondolni a bennük rejlő elképesztő erőkre.
Tehát, miközben folyamatosan tanul a mérnöki tudományokról, ne felejtsen el lenyűgözni azon okosságon és kreativitáson, amely a mindennapi használatunkban lévő technológia elkészítésében rejlik.
Ki mondhatja meg? Talán Ön lesz az, aki megtalálja a következő nagy dolgot lavinatörésben vagy feszültségben, ami még nagyobb dolgokhoz vezet a jövőben.
Oszd meg…
