あなたが工学部の学生またはエンジニアであれば、エレクトロニクスにおいて電圧がいかに重要であるかをおそらく知っているでしょう。
しかし、アバランシェ電圧はどうですか？この興味深い現象は、pn 半導体接合の電流が急激に増加し、材料が破壊されるときに発生します。
破壊的な力のように聞こえますが、なだれ降伏は現在、フォトダイオードやツェナー ダイオードなど、多くの電子デバイスの重要な部分です。
アバランシェ電圧とそれが実際にどのように使用されるかを理解することは、エンジニアにとってゲームチェンジャーとなり、より優れた効率的な設計を行うのに役立ちます。
ですから、アバランシェ電圧の魅力的な世界と、それが工学分野にどのように影響するかについてお話しするので、一緒に来てください.
正式な定義:
pn 半導体接合でなだれ降伏を引き起こすために必要な逆電圧。
アバランシェ電圧と空乏層幅
アバランシェ電圧は、pn 接合ダイオードでアバランシェ降伏が発生する電圧です。
軽くドープされた pn 接合に逆バイアスをかけると、電界が空乏層の電子を加速し、多くの速度を与えます。
このエネルギーは、結晶格子内の原子のイオン化を引き起こし、大きな電流が流れる可能性があります。
空乏層幅とアバランシェ電圧の関係
ダイオードのアバランシェ電圧は、半導体接合部の空乏層の幅に関係しています。
自由電荷キャリアがない pn 接合の部分は、空乏層と呼ばれます。
少数キャリアがpn接合を横切って移動するときに作られます。これにより、より多くの少数キャリアの移動を妨げる正味の電荷を持つ領域が作成されます。
空乏層の幅は、ドーピングの量と使用するバイアス電圧に依存します。ブレークダウン電圧の高いダイオードは低濃度にドープされているため、空乏層が広くなります。
一方、降伏電圧の低いダイオードは高濃度にドープされているため、空乏層が狭くなります。
空乏層が大きいほどアバランシェ電圧は大きくなります。これは、空乏層が広いほど電場が大きくなり、電子の速度が速くなるためです。
これにより、より多くの電子がイオンになるため、ブレークダウン電圧が高くなります。
設計上の考慮事項
pn接合ダイオードを作る場合、アバランシェ電圧と空乏層幅の関係を考えることが重要です。
ブレークダウン電圧の高いダイオードは、電圧の調整や電力の流れの反転など、多くの用途に役立ちます。
高いブレークダウン電圧を実現するには、空乏層を広くする必要があります。これは、低濃度にドープされた半導体材料を使用することで実現できます。
つまり、アバランシェ電圧とは、アバランシェ降伏によって pn 接合ダイオードが降伏する電圧です。
アバランシェ電圧は、ダイオードがブレークダウンする電圧に影響するため、空乏層の幅に関連しています。
アバランシェ電圧と空乏層の幅の関係を理解することは、さまざまな用途に合わせて pn 接合ダイオードを設計および最適化するために重要です。
PN 半導体接合部のアバランシェ ブレークダウン
アバランシェ降伏は、低濃度にドープされた pn 接合の逆電圧が降伏電圧と呼ばれる特定のレベルよりも高い場合に発生するプロセスです。
この電圧では、接合部の電界は電子を押して共有結合から解放するのに十分なほど強力です。
その後、自由電子はデバイス内の他の原子に衝突し、より多くの電子を放出して電流のなだれを引き起こします。
これは「キャリア増倍」と呼ばれ、pn接合を流れる電流が大幅に増加します。
アバランシェ破壊のメカニズムとツェナー破壊との比較
アバランシェ降伏は、デバイス内の自由電子と原子が互いに衝突するときに発生します。
一方、ツェナー降伏は、pn 接合を横切る強い電界によって引き起こされます。
アバランシェ降伏とツェナー降伏の両方が、半導体材料内の電子と正孔の生成と移動を伴います。
しかし、この 2 種類のブレークダウンの最大の違いは、電子と正孔のペアがどのように作られるかです。
雪崩とツェナー内訳の違い
アバランシェ降伏は不可逆的で、ツェナー降伏よりも高い逆電圧で発生します。
ブレークダウン電圧は、半導体材料のドーピング量によって制御されます。
ドーピング量が増えると、アバランシェ方式の温度係数と降伏電圧のサイズの両方が上がります。
アバランシェ降伏はドーピング量の少ない材料で発生し、ツェナー降伏はドーピング量の多い材料で発生します。
ダイオードの接合部は、アバランシェ降伏後は元の場所には戻りませんが、ツェナー降伏後は元の場所に戻ります。
アバランシェ降伏は半導体材料の厚い部分で発生し、ツェナー降伏は薄い部分で発生します。
両方のタイプの故障が同時に発生する可能性は低いことに注意してください。
故障の種類ごとに原因が異なり、両方が同時に発生することはほとんどありません。
ビデオ: 雪崩効果の理解: 概要
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雪崩ブレイクダウンの実用化
アバランシェ降伏は、絶縁材料と半導体材料の両方で発生する可能性がある現象です。
これは、通常は優れた絶縁体である材料に大電流が流れる場合です。
このプロセスは、サージの停止、過電圧からの保護、電圧基準としての使用、および電流源の作成などの有用なことを行うために電子デバイスで使用できます。
サージ抑制
サージ抑制回路では、アバランシェ ブレークダウンを使用して、落雷、電磁パルスなどによって引き起こされる電圧スパイクから電子デバイスを保護します。
この場合、保護対象のデバイスはアバランシェ ダイオードと並列に接続されます。
デバイス両端の電圧がダイオードのブレークダウン電圧よりも高い場合、ダイオードはアバランシェ ブレークダウン領域に入り、保護されているデバイスから余分な電圧を取り除きます。
これにより、電気のサージがデバイスを損傷するのを防ぎます。
過電圧保護回路
アバランシェ降伏は、電子デバイスが過大な電圧によって損傷するのを防ぐ回路でも使用されます。
これらの回路では、保護対象のデバイスがアバランシェ ダイオードと直列に接続されています。
デバイスの両端の電圧がダイオードの降伏電圧よりも高い場合、ダイオードはアバランシェ降伏領域に入り、保護されているデバイスの両端の電圧が制限されます。
電圧基準回路
基準電圧回路では、基準電圧が安定して正確であることを確認するためにアバランシェ ブレークダウンが使用されます。
これらの回路では、基準電圧として逆バイアスのアバランシェ ダイオードが使用されます。
ダイオードのブレークダウン電圧は非常に安定しており、製造時のドーピング量に依存します。これにより、高精度を必要とするアプリケーションに最適な基準電圧になります。
現在のソース
アバランシェ ブレークダウンは、精密機器や測定回路など、安定した電流が必要な電流源で使用されます。
これらの回路では、アバランシェ ダイオードが抵抗と直列に接続されています。
ダイオードのブレークダウン電圧と抵抗の値によって、回路を流れる電流の量が決まります。
雪崩崩壊の制御と防止
電子回路では、アバランシェ降伏を停止または制御する方法がいくつかあります。
アバランシェ ダイオード
アバランシェ ダイオードは、アバランシェの崩壊を防ぐ 1 つの方法です。アバランシェ ダイオードは逆降伏領域で動作するように作られ、不要な電圧から回路を保護するために使用されます。
アバランシェ ダイオードの接合部は、接合部全体で均等に降伏するように作られています。これにより、電流が集中してホットスポットが形成されるのを防ぎます。
非アバランシェ ダイオードとは対照的に、アバランシェ ダイオードのブレークダウン電圧は、電流が変化してもほぼ同じままです。
過渡抑制デバイスと電圧クランプ
電子回路は、過渡抑制デバイスと電圧クランプの助けを借りて、アバランシェ ブレークダウンから保護することもできます。
ツェナー ダイオードは、電圧をクランプするためによく使用されます。
同じ逆ブレークダウン電圧を持つ 2 つのツェナー ダイオードを使用すると、いずれかの極性の過渡電圧が同じツェナー電圧レベルにクランプされます。
MOSFET
電圧が MOSFET のブレークダウン電圧よりも高い場合、アバランシェ モードになり、問題が発生する可能性があります。
MOSFET のアバランシェ ブレークダウンは、適切な回路設計と適切な電圧定格を持つ MOSFET の慎重な選択によって回避できます。
雪崩の崩壊を防ぐその他の方法
アバランシェ ダイオード、過渡抑制デバイス、電圧クランプ、および MOSFET の慎重な選択を使用するだけでなく、電子回路のアバランシェ ブレークダウンを停止する方法は他にもあります。
それらのいくつかを次に示します。
| 予防のヒント: | 説明： |
|---|---|
| ダイオードのドーピングレベルの調整 | ダイオードのブレークダウン電圧は、製造時に使用されるドーピングの量に依存します。ドーピングのレベルを変えることで、アバランシェ降伏電圧を上げ、アバランシェ降伏の発生を止めることができます。 |
| 空乏領域の厚さの増加 | ドーピング濃度とバイアス電圧は、ダイオードの空乏領域の厚さに影響します。空乏層を厚くすることで、アバランシェ降伏電圧を上げ、アバランシェ降伏を止めることができます。 |
| 適切な放熱 | 熱が多すぎると、ダイオードが壊れて故障する可能性があります。ヒートシンクやその他の冷却方法は、雪崩の崩壊を防ぐのに役立ちます。 |
| ヒューズとサージプロテクタ | ヒューズとサージ プロテクタは、アバランシェ障害を引き起こす可能性のある電圧サージやその他の過渡事象から電子回路を保護するのに役立ちます。 |
電圧となだれ降伏
絶縁耐力と絶縁破壊電圧
絶縁破壊や導電性になることなく電気的ストレスに耐える材料の能力は、絶縁耐力によって測定されます。ボルト/センチメートルは、それを測定する一般的な方法です。
この電圧での故障の可能性は十分に低いため、この電圧では壊れないという前提で絶縁を行うことができます。
AC 破壊電圧とインパルス破壊電圧は、どちらも材料の絶縁耐力を測定する方法です。
AC 電圧は主電源の電源周波数であり、インパルス破壊電圧は落雷を模倣します。
通常、波が 90% の振幅に上昇するのに 1.2 マイクロ秒かかり、次に 50% の振幅に戻るのに 50 マイクロ秒かかります。
結論
結論として、アバランシェ ブレークダウンと電圧は、専門家だけが理解できる複雑な概念のように思えるかもしれませんが、どちらも現代のエレクトロニクスの重要な部分です。
これらがどのように機能し、電子デバイスでどのように使用できるかを知ることで、エンジニアはより効率的でユニークな設計を行うことができます。
アバランシェ電圧とブレークダウンの研究は、電子機器がいかに強力で有用であるかを示すため、さらに重要になる可能性があります。
私たちが毎日使っている道具や機械を当たり前のように思いがちですが、それらの内部で驚くべき力が働いていることを考えると驚くべきことです。
ですから、工学について学び続けるときは、私たちが毎日使用する技術を生み出す賢さと創造性に驚かされることを忘れないでください。
誰が言えるの？雪崩破壊や電圧の次の大きなものを見つけるのはあなたかもしれません。それは将来さらに大きなものになるでしょう。
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