Se sei uno studente di ingegneria o un ingegnere, probabilmente sai quanto sia importante la tensione nell'elettronica.
Ma per quanto riguarda la tensione a valanga? Questa cosa interessante accade quando una giunzione a semiconduttore pn ha un improvviso aumento di corrente, che provoca la rottura del materiale.
Anche se sembra una forza distruttiva, l'esaurimento da valanga è ora una parte importante di molti dispositivi elettronici, come i fotodiodi e i diodi Zener.
Comprendere la tensione da valanga e come può essere utilizzata nella vita reale può essere un punto di svolta per gli ingegneri e aiutarli a realizzare progetti migliori e più efficienti.
Quindi, vieni con noi mentre parlo dell'affascinante mondo della tensione da valanga e di come influenza il campo dell'ingegneria.
Definizione formale:
La tensione inversa necessaria per provocare un guasto a valanga in una giunzione a semiconduttore pn.
Tensione di valanga e larghezza dello strato di svuotamento
La tensione a valanga è la tensione alla quale si verifica la rottura a valanga in un diodo a giunzione pn.
Quando una polarizzazione inversa viene applicata a una giunzione pn leggermente drogata, il campo elettrico accelera gli elettroni nello strato di svuotamento, dando loro molta velocità.
Questa energia può causare la ionizzazione degli atomi nel reticolo cristallino, con conseguente grande flusso di corrente.
Relazione tra la larghezza dello strato di svuotamento e la tensione della valanga
La tensione a valanga di un diodo è correlata alla larghezza dello strato di esaurimento in una giunzione a semiconduttore.
La parte della giunzione pn dove non ci sono portatori di carica liberi è chiamata strato di esaurimento.
Viene prodotto quando i portatori minoritari si muovono attraverso la giunzione pn. Ciò crea una regione con un addebito netto che impedisce a più portatori di minoranza di muoversi.
L'ampiezza dello strato di esaurimento dipende dalla quantità di drogaggio e dalla tensione di polarizzazione utilizzata. I diodi con tensioni di rottura elevate sono leggermente drogati, il che rende gli strati di esaurimento ampi.
I diodi con basse tensioni di rottura, invece, sono fortemente drogati, il che rende gli strati di esaurimento stretti.
La tensione della valanga sarà maggiore se lo strato di esaurimento è più grande. Questo perché gli strati di esaurimento più ampi hanno un campo elettrico più grande, che accelera gli elettroni a velocità più elevate.
Ciò fa sì che più elettroni diventino ioni, quindi la tensione di rottura è più alta.
considerazioni sul design
Quando si realizzano diodi a giunzione pn, è importante pensare alla relazione tra la tensione a valanga e la larghezza dello strato di esaurimento.
Un diodo con un'elevata tensione di rottura è utile per molte cose, come regolare la tensione e invertire il flusso di energia.
Per ottenere un'elevata tensione di rottura, lo strato di esaurimento deve essere ampio, il che può essere ottenuto utilizzando materiale semiconduttore leggermente drogato.
In breve, la tensione a valanga è la tensione alla quale la rottura a valanga provoca la rottura di un diodo a giunzione pn.
La tensione a valanga è legata alla larghezza dello strato di esaurimento perché influisce sulla tensione alla quale il diodo si rompe.
Comprendere la relazione tra la tensione a valanga e l'ampiezza dello strato di esaurimento è importante per progettare e ottimizzare diodi a giunzione pn per usi diversi.
Rottura da valanga nelle giunzioni di semiconduttori PN
Il breakdown da valanga è un processo che si verifica quando la tensione inversa attraverso una giunzione pn leggermente drogata è superiore a un certo livello, chiamato tensione di breakdown.
A questa tensione, il campo elettrico alla giunzione è abbastanza forte da spingere gli elettroni e liberarli dai loro legami covalenti.
Gli elettroni liberi poi colpiscono altri atomi nel dispositivo, rilasciando più elettroni e provocando una valanga di corrente.
Questa è chiamata "moltiplicazione del vettore" e fa aumentare significativamente il flusso di corrente attraverso la giunzione pn.
Meccanismo di rottura della valanga e confronto con la rottura di Zener
La rottura della valanga si verifica quando gli elettroni e gli atomi liberi nel dispositivo si scontrano.
La rottura di Zener, d'altra parte, è causata da un forte campo elettrico attraverso la giunzione pn.
Sia la rottura a valanga che la rottura Zener comportano la creazione e il movimento di elettroni e lacune all'interno del materiale semiconduttore.
Ma la più grande differenza tra i due tipi di rottura è come è fatta la coppia elettrone-lacuna.
Differenze tra Avalanche e Zener Breakdowns
La rottura da valanga è irreversibile e si verifica a una tensione inversa più elevata rispetto alla rottura di Zener.
La tensione di rottura è controllata dalla quantità di drogaggio nel materiale semiconduttore.
All'aumentare della quantità di drogaggio, aumentano sia il coefficiente di temperatura del metodo a valanga che la dimensione della tensione di rottura.
La rottura a valanga si verifica in materiali con una piccola quantità di drogaggio, mentre la rottura Zener avviene in materiali con molto drogaggio.
La giunzione di un diodo non tornerà dov'era dopo un guasto a valanga, ma tornerà dov'era dopo un guasto Zener.
Le rotture a valanga si verificano in parti spesse del materiale semiconduttore, mentre le rotture Zener si verificano in parti sottili.
Vale la pena notare che è improbabile che entrambi i tipi di guasti si verifichino contemporaneamente.
Ogni tipo di guasto è causato da fattori diversi ed è improbabile che entrambi si verifichino contemporaneamente.
Video: Comprendere l'effetto valanga: un'introduzione
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Applicazioni pratiche della ripartizione delle valanghe
La rottura da valanga è un fenomeno che può verificarsi sia nei materiali isolanti che nei semiconduttori.
Questo è quando una grande corrente può fluire attraverso materiali che normalmente sono buoni isolanti.
Il processo può essere utilizzato nei dispositivi elettronici per eseguire operazioni utili come arrestare le sovratensioni, proteggere dalle sovratensioni, utilizzare come riferimento di tensione e creare sorgenti di corrente.
Soppressione delle sovratensioni
Nei circuiti di soppressione delle sovratensioni, la rottura da valanga viene utilizzata per proteggere i dispositivi elettronici dai picchi di tensione causati da fulmini, impulsi elettromagnetici o altro.
In questo caso, il dispositivo da proteggere è collegato in parallelo con un diodo a valanga.
Quando la tensione ai capi del dispositivo è superiore alla tensione di rottura del diodo, il diodo entra nella regione di rottura a valanga, che toglie la tensione extra dal dispositivo protetto.
Ciò impedisce all'ondata di elettricità di danneggiare il dispositivo.
Circuiti di protezione da sovratensione
La rottura da valanga viene utilizzata anche nei circuiti che proteggono i dispositivi elettronici da danni causati da troppa tensione.
In questi circuiti, il dispositivo da proteggere è collegato in serie con un diodo a valanga.
Quando la tensione ai capi del dispositivo è superiore alla tensione di rottura del diodo, il diodo entra nella regione di rottura a valanga, che limita la tensione attraverso il dispositivo protetto.
Circuiti di riferimento di tensione
Nei circuiti di riferimento di tensione, la rottura a valanga viene utilizzata per garantire che la tensione di riferimento sia stabile e precisa.
Come riferimento di tensione, in questi circuiti viene utilizzato un diodo a valanga con polarizzazione all'indietro.
La tensione di rottura del diodo è molto stabile e dipende da quanto drogaggio viene fatto quando viene realizzato. Questo lo rende un'ottima tensione di riferimento per le applicazioni che richiedono un'elevata precisione.
Fonti attuali
La rottura da valanga viene utilizzata nelle sorgenti di corrente in cui è necessaria una corrente stabile, come nella strumentazione di precisione e nei circuiti di misurazione.
In questi circuiti, un diodo a valanga è collegato in serie con un resistore.
La tensione di rottura del diodo e il valore del resistore determinano quanta corrente scorre attraverso il circuito.
Controllo e Prevenzione di Avalanghe Breaking
Nei circuiti elettronici, ci sono diversi modi per fermare o controllare la rottura della valanga.
Diodi a valanga
Un diodo da valanga è un modo per fermare la rottura di una valanga. I diodi a valanga sono progettati per funzionare nella regione di rottura inversa e vengono utilizzati per proteggere i circuiti da tensioni indesiderate.
La giunzione di un diodo a valanga viene fatta ripartire uniformemente lungo l'intera giunzione. Ciò impedisce alla corrente di concentrarsi e alla formazione di punti caldi.
A differenza di un diodo non a valanga, la tensione di rottura di un diodo a valanga rimane quasi la stessa al variare della corrente.
Dispositivi di soppressione dei transitori e bloccaggio della tensione
I circuiti elettronici possono anche essere protetti da guasti da valanga con l'aiuto di dispositivi di soppressione dei transitori e di bloccaggio della tensione.
I diodi Zener sono spesso usati per bloccare la tensione.
Quando vengono utilizzati due diodi zener con la stessa tensione di rottura inversa, una tensione transitoria di entrambe le polarità verrà bloccata allo stesso livello di tensione zener.
MOSFET
Quando una tensione è superiore alla tensione di rottura del MOSFET, può anche entrare in una modalità valanga, che può causare problemi.
Il guasto a valanga nei MOSFET può essere evitato con una buona progettazione del circuito e un'attenta scelta di MOSFET con i giusti valori di tensione.
Ulteriori modi per prevenire la rottura delle valanghe
Esistono altri modi per arrestare la rottura da valanga nei circuiti elettronici oltre al semplice utilizzo di diodi da valanga, dispositivi di soppressione dei transitori, blocco della tensione e un'attenta scelta dei MOSFET.
Ecco qui alcuni di loro:
| Suggerimento per la prevenzione: | Descrizione: |
|---|---|
| Regolazione del livello di drogaggio del diodo | La tensione di rottura di un diodo dipende da quanto drogaggio viene utilizzato quando viene prodotto. Modificando il livello di drogaggio, è possibile aumentare la tensione di rottura a valanga e impedire che si verifichi la rottura a valanga. |
| Aumentare lo spessore della regione di svuotamento | La concentrazione di drogaggio e la tensione di polarizzazione influenzano lo spessore della regione di esaurimento in un diodo. Rendendo la regione di svuotamento più spessa, la tensione di rottura a valanga può essere aumentata e la rottura a valanga può essere arrestata. |
| Adeguata dissipazione del calore | Troppo calore può abbattere i diodi e farli fallire. I dissipatori di calore e altri modi per raffreddare le cose possono aiutare a evitare che una valanga si rompa. |
| Fusibili e limitatori di sovratensione | Fusibili e dispositivi di protezione da sovratensione aiutano a proteggere i circuiti elettronici da picchi di tensione e altri eventi transitori che possono causare guasti da valanga. |
Voltaggio e guasto da valanga
Rigidità dielettrica e tensione di rottura
La capacità di un materiale di resistere alle sollecitazioni elettriche senza rompersi e diventare conduttivo è misurata dalla sua rigidità dielettrica. I volt per centimetro sono un modo comune per misurarlo.
La possibilità di guasto a questa tensione è sufficientemente bassa da consentire l'isolamento con il presupposto che non si romperà a questa tensione.
Le tensioni di rottura CA e le tensioni di rottura impulsiva sono entrambi modi per misurare la rigidità dielettrica di un materiale.
La tensione CA è la frequenza di linea della rete, mentre la tensione di rottura dell'impulso imita i fulmini.
Di solito l'onda impiega 1,2 microsecondi per salire al 90% di ampiezza, quindi 50 microsecondi per tornare al 50% di ampiezza.
Conclusione
In conclusione, la scarica a valanga e la tensione possono sembrare idee complicate che solo gli esperti possono comprendere, ma sono entrambe parti importanti dell'elettronica moderna.
Sapendo come funzionano queste cose e come possono essere utilizzate nei dispositivi elettronici, gli ingegneri possono realizzare progetti più efficienti e unici.
Lo studio della tensione e del guasto a valanga può essere ancora più importante perché mostra quanto possa essere potente e utile l'elettronica.
È facile dare per scontati gli strumenti e le macchine che usiamo ogni giorno, ma è sorprendente pensare alle incredibili forze che lavorano al loro interno.
Quindi, mentre continui a conoscere l'ingegneria, non dimenticare di rimanere stupito dall'intelligenza e dalla creatività che servono per realizzare la tecnologia che utilizziamo ogni giorno.
Chi puo 'dirlo? Forse sarai tu a trovare la prossima grande novità nel guasto o nel voltaggio da valanga, che porterà a cose ancora più grandi in futuro.
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