Als je een ingenieursstudent of een ingenieur bent, weet je waarschijnlijk hoe belangrijk het is om betrouwbare elektronische apparaten te hebben voor een breed scala aan toepassingen.
Maar heb je er ooit over nagedacht wat er gebeurt als sterke elektrische velden deze apparaten raken? Dit is waar het lawine-effect om de hoek komt kijken, en begrijpen dat dit de sleutel is om ervoor te zorgen dat elektronische systemen goed werken en veilig zijn.
In deze blogpost zal ik het lawine-effect in meer detail bekijken, inclusief de oorzaken, effecten en gebruik in de echte wereld.
Dit is een onderwerp dat u niet wilt missen, of u nu een ervaren ingenieur bent of net begint. Dus gordel om en maak je klaar om de opwindende wereld van het lawine-effect te verkennen!
Inleiding tot lawine-effect
Formele definitie:
Het cumulatieve proces waarbij een elektron of ander geladen deeltje, versneld door een sterk elektrisch veld, in botsing komt met gasmoleculen en deze ioniseert, waarbij nieuwe elektronen vrijkomen die op hun beurt meer botsingen hebben, zodat de ontlading dus zelfonderhoudend is.
Lawine-effect: een algemene verklaring
Het lawine-effect is een fundamenteel fysiek effect dat optreedt in elektronische apparaten wanneer een elektron of ander geladen deeltje dat is versneld door een sterk elektrisch veld, gasmoleculen raakt en deze ioniseert.
Dit proces maakt nieuwe elektronen, die vervolgens met meer elektronen botsen, waardoor een ontlading ontstaat die vanzelf doorgaat.
Het lawine-effect wordt vaak gebruikt om elektronische apparaten te maken, zoals lawinedioden, stralingsdetectoren en deeltjesdetectoren.
Lawine-effect in een diode
Het lawine-effect vindt plaats in een diode wanneer een hoge sperspanning over de kruising wordt aangelegd. Dit creëert een sterk elektrisch veld dat de elektronen nabij de kruising versnelt.
Terwijl deze elektronen over de kruising bewegen, botsen ze tegen atomen in het kristalrooster. Hierdoor ioniseren de atomen en laten meer elektronen los.
Deze nieuwe elektronen versnellen dan en raken meer atomen, waardoor een kettingreactie van ionisatie ontstaat en een stroom die vanzelf blijft stromen.
Dit wordt het "lawine-effect" genoemd en het gebeurt wanneer diodes worden gemaakt om te werken in het "omgekeerde doorslaggebied".
Lawine diodes
Een lawinediode is een soort halfgeleiderdiode die is gemaakt om bij een bepaalde spanning in een lawine kapot te gaan.
De pn-overgang van een lawinediode is gemaakt om de stroomconcentratie en de hotspots die daaruit voortkomen te stoppen, zodat het lawine-effect de diode niet schaadt.
De lawinediode is op dezelfde manier gemaakt als de zenerdiode, en zowel de zenerdoorslag als de lawinedoorslag kunnen in deze diodes voorkomen.
Lawinediodes zijn ontworpen om het beste te werken bij lawinedoorslag, dus ze hebben een kleine maar merkbare spanningsdaling wanneer ze kapot gaan.
Voorbeeld van lawine-effect in een diode
Het gebruik van lawinedoorslag om de spanning in een circuit te regelen is een voorbeeld van het lawine-effect in een diode.
In dit geval is de diode gemaakt om te werken in het omgekeerde doorslaggebied, waar het lawine-effect kan zorgen voor een stabiele en voorspelbare spanningsval.
De diode kan worden gebruikt als shunt om andere onderdelen te beschermen tegen overspanning of om de spanning over een belasting te begrenzen.
Het lawine-effect in een diode is een belangrijke manier om de spanning op een zeer nauwkeurige manier te regelen. Het is te vinden in een breed scala aan elektronische apparaten.
Video: Avalanche Breakdown en Zener Breakdown Effect uitgelegd
Tip: Schakel de ondertitelingsknop in als je die nodig hebt. Kies "automatische vertaling" in de instellingenknop, als u niet bekend bent met de Engelse taal. Mogelijk moet u eerst op de taal van de video klikken voordat uw favoriete taal beschikbaar komt voor vertaling.
Belang van lawine-effect in elektronische apparaten
Het lawine-effect en het Zener-effect zijn twee soorten elektrische storingen die kunnen optreden in pn-diodes en andere elektronische apparaten.
Het lawine-effect is een fundamenteel natuurkundig fenomeen dat optreedt wanneer een elektron of ander geladen deeltje dat is versneld door een sterk elektrisch veld, tegen gasmoleculen botst en deze ioniseert.
Dit proces maakt nieuwe elektronen, die vervolgens met meer elektronen botsen, waardoor een ontlading ontstaat die vanzelf doorgaat.
Het lawine-effect wordt vaak gebruikt om elektronische apparaten te maken, zoals lawinedioden, stralingsdetectoren en deeltjesdetectoren.
Zener-effect
Het Zener-effect is een ander type elektrische storing dat kan optreden in elektronica, vooral in pn-diodes die in de tegenovergestelde richting zijn voorgespannen.
Wanneer het elektrische veld elektronen van de valentieband naar de geleidingsband laat bewegen, gebeurt dit effect.
Deze plotselinge creatie van dragers verhoogt snel de tegenstroom, wat leidt tot de hoge hellingsgeleiding van de zenerdiode.
Lawineafbraak is anders dan het Zener-effect.
Bij lawinedoorslag worden minderheidsdragerelektronen in het overgangsgebied versneld door het elektrische veld tot snelheden die hoog genoeg zijn om elektron-gatparen vrij te maken door tegen gebonden elektronen te botsen.
Verschil tussen Zener Breakdown en Lawine Breakdown
De manier waarop Zener-uitval en lawine-uitval plaatsvinden, is het belangrijkste verschil tussen de twee.
Zener-afbraak vindt plaats wanneer er sterke elektrische velden zijn, terwijl lawine-afbraak plaatsvindt wanneer vrije elektronen en atomen elkaar raken.
Beide problemen kunnen tegelijkertijd optreden.
Lawinedoorslag komt vaker voor bij diodes die gemaakt zijn om in het omgekeerde doorslaggebied te werken, terwijl zenerdoorslag vaker voorkomt bij licht gedoopte diodes en bij lagere spanningen.
Belang van lawine-effect in elektronische apparaten
Het lawine-effect is een belangrijk onderdeel van sommige elektronische apparaten, zoals lawinediodes en hoogspanningsdiodes, omdat hiermee spanningen in elektrische circuits met grote nauwkeurigheid kunnen worden geregeld.
Het lawine-effect kan voor veel dingen worden gebruikt, zoals het regelen van spanning, beveiligen tegen spanningspieken en snel schakelen.
Lawinediodes worden vaak gebruikt om elektronische apparaten te beschermen tegen spanningspieken.
Hoogspanningsdiodes gebruiken het lawine-effect om de spanning in elektrische circuits zeer nauwkeurig te regelen.
Berekening en meting van lawine-effect
Lawine-effect testen in elektronische apparaten
De Unclamped Inductive Switching (UIS)-test is een manier om elektronische apparaten via een omweg te testen op het lawine-effect.
De UIS-test is geen directe test voor het lawine-effect. In plaats daarvan wordt gecontroleerd hoe goed een MOSFET hoogspanningspieken en plotselinge spanningsdalingen aankan.
Tijdens de UIS-test wordt de schakelaar ingeschakeld om de inductor tot een bepaald niveau op te laden. De schakelaar wordt dan uitgezet om het lawine-effect te laten plaatsvinden.
Hoeveel lawine-energie er is, hangt af van de grootte en lengte van de spanningspiek die het siliciumapparaat vastklemt.
De MOSFET Avalanche Rating helpt te controleren hoe sterk een apparaat is en filtert MOSFET's uit die zwakker zijn of sneller kapot gaan.
Maar het is belangrijk om te onthouden dat het lawine-effect niet altijd een goede zaak is in elektronische apparaten, omdat het ertoe kan leiden dat ze kapot gaan en op een destructieve manier falen.
Daarom moeten mensen die circuits ontwerpen en apparaten maken de voordelen van het lawine-effect zorgvuldig afwegen tegen de risico's van overspanningsgebeurtenissen en andere voorbijgaande omstandigheden.
Lawine diodes
Lawinediodes zijn een soort halfgeleiderdiode die gemaakt is om bij een bepaalde spanning in een lawine kapot te gaan.
De pn-overgang van een lawinediode is gemaakt om de stroomconcentratie en de hotspots die daaruit voortkomen te stoppen, zodat het lawine-effect de diode niet schaadt.
De lawinediode is op dezelfde manier gemaakt als de zenerdiode, en zowel de zenerdoorslag als de lawinedoorslag kunnen in deze diodes voorkomen.
Lawinediodes zijn ontworpen om het beste te werken bij lawinedoorslag, dus ze hebben een kleine maar merkbare spanningsdaling wanneer ze kapot gaan.
Lawinedioden kunnen voor veel dingen worden gebruikt, zoals het regelen van de spanning, het beschermen tegen spanningspieken en snel schakelen.
Het lawine-effect wordt gebruikt door hoogspanningsdiodes om de spanning in elektrische circuits met grote nauwkeurigheid te regelen.
Verbetering en bevordering van het lawine-effect
In sommige elektronische apparaten kan het lawine-effect een goede zaak zijn, omdat het voor aanvallers moeilijker wordt om platte tekst te achterhalen door middel van statistische analyse.
Er zijn dus manieren om het lawine-effect vaker in circuits te laten optreden, zoals:
Het verhogen van de biasspanning boven doorslag
Een manier om ervoor te zorgen dat een circuit meer kans heeft op een lawine-effect, is door de voorspanning boven de doorslag te verhogen.
Maar om dit te doen, heb je een circuit nodig dat de voorrand van de lawinestroom kan oppikken en een standaard uitgangspuls kan maken die is getimed met de opbouw van de lawine.
Actief blussen
In dit geval wordt de scherpe start van de lawinestroom over een weerstand (of een geïntegreerde transistor) opgepikt door een snelle discriminator, die een digitale uitgangspuls uitzendt.
Dopingconcentraties optimaliseren
Door de dopingconcentraties van twee aangepaste lagen te optimaliseren, kan een hoog elektrisch veld worden verkregen voor de lawinevermenigvuldiging van elektronen die door licht worden gemaakt.
Deze methode is gebruikt om de kwantumefficiëntie in beeldsensoren te verbeteren. Er wordt ook gezegd dat het wordt gebruikt in CMOS SPAD's.
De voorgestelde structuur maakt ook gebruik van een p-epitaxiale laag met een gradiënt dopingprofiel, wat betekent dat de hoeveelheid doping toeneemt naarmate je dieper in de laag gaat.
Een dergelijk gradiënt-doteringsprofiel maakt PDE nog beter door het voor door foto's gegenereerde elektronen gemakkelijker te maken om omhoog te bewegen en efficiënt te worden opgevangen in de richting van het lawinevermenigvuldigingsgebied.
De Townsend-lawine
Het is belangrijk om te onthouden dat de Townsend-lawine wordt veroorzaakt door een enkel vrij elektron. Alleen vrije elektronen kunnen voldoende in een elektrisch veld bewegen om dit proces op gang te brengen.
Als je je ooit verveelt en op zoek bent naar een beetje opwinding
Wil je thuis je eigen lawine-effect creëren? Verzamel gewoon een sterk elektrisch veld en een paar gasmoleculen, en voila - je hebt een zelfonderhoudende ontlading klaar voor gebruik!
Ik maak natuurlijk een grapje.
Proberen een lawine-effect te veroorzaken buiten een gecontroleerd laboratorium is gevaarlijk en geen goed idee.
Ook al klinkt het idee van een zelfonderhoudende ontlading misschien cool, het kan ernstige gevolgen hebben voor elektronische systemen en apparaten.
Gebruik gevallen
| Gebruikt in: | Beschrijving: |
|---|---|
| Lawine diodes | Lawinedioden zijn een van de meest voorkomende manieren waarop het lawine-effect wordt gebruikt. Deze speciale diodes zijn gemaakt om te werken in het gebied waar het lawine-effect optreedt, het omgekeerde doorslaggebied. Het resultaat is een stabiele, zelfbeperkende stroom die kan worden gebruikt voor een breed scala aan taken, zoals het regelen van de spanning, het beschermen tegen spanningspieken en snel schakelen. |
| Straling detecteren | Het detecteren van straling is een ander belangrijk gebruik van het lawine-effect. Het wordt gebruikt om detectoren voor straling te maken. Vooral Geiger-Müller-buizen zijn instrumenten die het lawine-effect gebruiken om ioniserende straling te vinden en te meten. Terwijl geladen deeltjes van de straling door de buis gaan, ioniseren ze gasmoleculen, waardoor een stroom elektronen ontstaat die kan worden gezien en gemeten. |
| Elektronische ruis verminderen | Het lawine-effect kan ook worden gebruikt om ruis in bepaalde soorten elektronische schakelingen te verminderen. Met name wanneer een lawinediode in serie is geschakeld met een ruisbron, kan de zelfbeperkende aard van het lawine-effect helpen om het algehele ruisniveau in het systeem te verlagen. |
| Fysica van hoge energie | Ten slotte is het lawine-effect een belangrijk onderdeel van experimenten met hoge-energiefysica, waar het kan worden gebruikt om de aanwezigheid van hoogenergetische deeltjes te vinden en te meten. Met name deeltjesdetectoren zoals de Time Projection Chamber gebruiken het lawine-effect om gasmoleculen te ioniseren en een signaal af te geven dat kan worden gebruikt om de beweging van geladen deeltjes te volgen. |
Conclusie
Zoals we in dit bericht hebben gezien, is het lawine-effect een interessant en gecompliceerd fenomeen dat veel effecten heeft op elektronische apparaten en systemen.
Het lawine-effect kan ons veel leren, van de basisoorzaken tot de manieren waarop het in de echte wereld kan worden gebruikt.
Maar afgezien van de technische details geeft het lawine-effect een uniek beeld van hoe elektriciteit werkt en hoe geladen deeltjes en gasmoleculen op elkaar inwerken.
Het herinnert ons aan de kracht en het potentieel van elektriciteit, evenals aan het delicate evenwicht tussen energie en materie.
Als ingenieurs en wetenschappers is het belangrijk om niet alleen de technische aspecten van het lawine-effect te begrijpen, maar ook om de verwondering en ontzag te waarderen die gepaard gaan met het verkennen van de mysteries van de fysieke wereld.
Door een gevoel van nieuwsgierigheid en verwondering te omarmen, kunnen we nieuwe inzichten en kansen in ons werk vinden, de grenzen verleggen van wat mogelijk is en de wereld van morgen vormgeven.
Dus laat het lawine-effect een herinnering zijn aan hoe krachtig en nuttig wetenschap en techniek kunnen zijn, en een oproep om de wonderen van de natuur met een open geest en een nooit eindigend gevoel van verwondering te blijven onderzoeken.
Samen kunnen we nieuwe gebieden openen en de toekomst voor iedereen beter maken.
Delen op…
