Als je een ingenieursstudent of een ingenieur bent, weet je waarschijnlijk hoe belangrijk spanning is in elektronica.
Maar hoe zit het met lawinespanning? Dit interessante gebeurt wanneer een pn-halfgeleiderovergang een plotselinge toename van de stroom heeft, waardoor het materiaal kapot gaat.
Hoewel het klinkt als een vernietigende kracht, is lawinedoorslag nu een belangrijk onderdeel van veel elektronische apparaten, zoals fotodiodes en zenerdiodes.
Het begrijpen van lawinespanning en hoe het in het echte leven kan worden gebruikt, kan voor ingenieurs een game-changer zijn en hen helpen betere, efficiƫntere ontwerpen te maken.
Dus, ga met ons mee terwijl ik praat over de fascinerende wereld van lawinespanning en hoe dit de techniek beĆÆnvloedt.
Formele definitie:
De sperspanning die nodig is om lawinedoorslag te veroorzaken in een pn-halfgeleiderovergang.
Lawinespanning en breedte van de uitputtingslaag
Lawinespanning is de spanning waarbij lawinedoorslag plaatsvindt in een pn-junctiediode.
Wanneer een omgekeerde voorspanning op een licht gedoteerde pn-overgang wordt gezet, versnelt het elektrische veld de elektronen in de uitputtingslaag, waardoor ze veel snelheid krijgen.
Deze energie kan ionisatie van atomen in het kristalrooster veroorzaken, wat resulteert in een grote stroom.
Relatie tussen depletielaagbreedte en lawinespanning
De lawinespanning van een diode is gerelateerd aan de breedte van de depletielaag in een halfgeleiderovergang.
Het deel van de pn-overgang waar geen vrije ladingsdragers zijn, wordt de uitputtingslaag genoemd.
Het wordt gemaakt wanneer minderheidsdragers over de pn-overgang bewegen. Dit maakt een regio met een netto lading die ervoor zorgt dat meer minderheidsdragers niet kunnen verhuizen.
Hoe breed de depletielaag is, hangt af van de hoeveelheid dotering en de gebruikte biasspanning. Diodes met hoge doorslagspanningen zijn licht gedoteerd, waardoor depletielagen breed zijn.
Diodes met lage doorslagspanningen daarentegen zijn zwaar gedoteerd, waardoor depletielagen smal zijn.
De lawinespanning zal groter zijn als de depletielaag groter is. Dit komt omdat bredere uitputtingslagen een groter elektrisch veld hebben, waardoor elektronen sneller worden versneld.
Hierdoor worden meer elektronen ionen, waardoor de doorslagspanning hoger is.
Ontwerp Overwegingen
Bij het maken van pn-junctiediodes is het belangrijk om na te denken over de relatie tussen de lawinespanning en de breedte van de depletielaag.
Een diode met een hoge doorslagspanning is voor veel dingen nuttig, zoals het regelen van de spanning en het omkeren van de stroomstroom.
Om een āāhoge doorslagspanning te bereiken, moet de depletielaag breed zijn, wat kan worden bereikt door licht gedoteerd halfgeleidermateriaal te gebruiken.
Kort gezegd is lawinespanning de spanning waarbij door lawinedoorslag een pn-junctiediode kapot gaat.
De lawinespanning is gekoppeld aan de breedte van de depletielaag omdat deze invloed heeft op de spanning waarbij de diode uitvalt.
Het begrijpen van de relatie tussen de lawinespanning en de breedte van de uitputtingslaag is belangrijk voor het ontwerpen en optimaliseren van pn-junctiediodes voor verschillende toepassingen.
Lawinedoorslag in PN Semiconductor Junctions
Lawinedoorslag is een proces dat plaatsvindt wanneer de sperspanning over een licht gedoteerde pn-overgang hoger is dan een bepaald niveau, de doorslagspanning genoemd.
Bij deze spanning is het elektrische veld op de kruising sterk genoeg om op de elektronen te duwen en ze los te maken van hun covalente bindingen.
De vrije elektronen raken vervolgens andere atomen in het apparaat, waardoor meer elektronen vrijkomen en een lawine van stroom ontstaat.
Dit wordt "dragervermenigvuldiging" genoemd en zorgt ervoor dat de stroom door de pn-overgang aanzienlijk toeneemt.
Mechanisme van lawinedoorslag en vergelijking met zenerdoorslag
Lawine-afbraak vindt plaats wanneer vrije elektronen en atomen in het apparaat tegen elkaar botsen.
Zenerdoorslag daarentegen wordt veroorzaakt door een sterk elektrisch veld over de pn-overgang.
Zowel de lawine-afbraak als de Zener-afbraak omvatten de creatie en beweging van elektronen en gaten in het halfgeleidermateriaal.
Maar het grootste verschil tussen de twee soorten afbraak is de manier waarop het elektron-gat-paar wordt gemaakt.
Verschillen tussen lawine- en zenerstoringen
Lawinedoorslag is onomkeerbaar en gebeurt bij een hogere sperspanning dan zenerdoorslag.
De doorslagspanning wordt geregeld door de hoeveelheid dotering in het halfgeleidermateriaal.
Naarmate de hoeveelheid doping toeneemt, stijgen zowel de temperatuurcoƫfficiƫnt van de lawinemethode als de grootte van de doorslagspanning.
Lawine-afbraak vindt plaats in materialen met een kleine hoeveelheid doping, terwijl Zener-afbraak plaatsvindt in materialen met veel doping.
Het knooppunt van een diode gaat niet terug naar waar het was na een lawinestoring, maar wel terug naar waar het was na een zenerstoring.
Lawinestoringen vinden plaats in dikke delen van het halfgeleidermateriaal, terwijl zenerstoringen in dunne delen plaatsvinden.
Het is vermeldenswaard dat beide soorten storingen waarschijnlijk niet tegelijkertijd zullen optreden.
Elk type storing wordt veroorzaakt door verschillende dingen en het is onwaarschijnlijk dat beide tegelijkertijd zullen gebeuren.
Video: Het lawine-effect begrijpen: een inleiding
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.
Praktische toepassingen van lawinedoorslag
Lawinedoorslag is een fenomeen dat kan voorkomen in zowel isolerende als halfgeleidende materialen.
Dit is wanneer een grote stroom kan vloeien door materialen die normaal gesproken goede isolatoren zijn.
Het proces kan worden gebruikt in elektronische apparaten om nuttige dingen te doen, zoals stroomstoten stoppen, beschermen tegen overspanning, gebruiken als spanningsreferentie en stroombronnen maken.
Overspanningsonderdrukking
In stroomonderdrukkingscircuits wordt lawinedoorslag gebruikt om elektronische apparaten te beschermen tegen spanningspieken veroorzaakt door blikseminslag, elektromagnetische pulsen of andere dingen.
In dit geval wordt het te beveiligen apparaat parallel geschakeld met een lawinediode.
Wanneer de spanning over het apparaat hoger is dan de doorslagspanning van de diode, gaat de diode in het lawinedoorslaggebied, waardoor de extra spanning wordt weggenomen van het apparaat dat wordt beschermd.
Dit voorkomt dat de stroomstoot het apparaat beschadigt.
Overspanningsbeveiligingscircuits
Lawinedoorslag wordt ook gebruikt in circuits die elektronische apparaten beschermen tegen beschadiging door te veel spanning.
In deze circuits is het te beveiligen apparaat in serie geschakeld met een lawinediode.
Wanneer de spanning over het apparaat hoger is dan de doorslagspanning van de diode, gaat de diode in het lawinedoorslaggebied, waardoor de spanning over het te beschermen apparaat wordt beperkt.
Spanningsreferentiecircuits
In spanningsreferentiecircuits wordt lawinedoorslag gebruikt om ervoor te zorgen dat de referentiespanning stabiel en nauwkeurig is.
Als spanningsreferentie wordt in deze circuits een lawinediode met achterwaartse voorspanning gebruikt.
De doorslagspanning van de diode is zeer stabiel en hangt af van hoeveel doping er is gedaan wanneer deze wordt gemaakt. Dit maakt het een geweldige referentiespanning voor toepassingen die een hoge nauwkeurigheid vereisen.
Huidige bronnen
Lawinedoorslag wordt gebruikt in stroombronnen waar een stabiele stroom nodig is, zoals in precisie-instrumentatie en meetcircuits.
In deze circuits is een lawinediode in serie geschakeld met een weerstand.
De doorslagspanning van de diode en de waarde van de weerstand bepalen hoeveel stroom er door de schakeling vloeit.
Beheersing en preventie van lawinestoringen
In elektronische circuits zijn er een aantal manieren om lawinedoorslag te stoppen of te beheersen.
Lawine diodes
Een lawinediode is een manier om te voorkomen dat een lawine uiteenvalt. Lawinediodes zijn gemaakt om te werken in het omgekeerde doorslaggebied en worden gebruikt om circuits te beschermen tegen ongewenste spanningen.
De kruising van een lawinediode is gemaakt om gelijkmatig over de hele kruising af te breken. Dit voorkomt dat de stroom zich concentreert en dat zich hotspots vormen.
In tegenstelling tot een niet-lawinediode blijft de doorslagspanning van een lawinediode vrijwel gelijk als de stroom verandert.
Apparaten voor voorbijgaande onderdrukking en spanningsbeveiliging
Elektronische circuits kunnen ook worden beveiligd tegen lawinedoorslag met behulp van apparaten voor het onderdrukken van transiƫnten en spanningsklemmen.
Zenerdiodes worden vaak gebruikt om spanning te klemmen.
Wanneer twee zenerdiodes met dezelfde omgekeerde doorslagspanning worden gebruikt, wordt een transiƫnte spanning van beide polariteiten op hetzelfde zenerspanningsniveau geklemd.
MOSFET's
Wanneer een spanning hoger is dan de doorslagspanning van de MOSFET, kan deze ook in een lawinemodus gaan, wat problemen kan veroorzaken.
Lawinedoorslag in MOSFET's kan worden vermeden met een goed circuitontwerp en een zorgvuldige keuze van MOSFET's met de juiste spanningswaarden.
Aanvullende manieren om lawinestoringen te voorkomen
Er zijn meer manieren om lawinedoorslag in elektronische circuits te stoppen dan alleen het gebruik van lawinediodes, apparaten voor het onderdrukken van transiƫnten, spanningsklemmen en een zorgvuldige keuze van MOSFET's.
Hier zijn er een aantal:
| Preventietip: | Beschrijving: |
|---|---|
| Het dopingniveau van de diode aanpassen | De doorslagspanning van een diode hangt af van de hoeveelheid doping die is gebruikt bij het maken ervan. Door het dopingniveau te wijzigen, kunt u de lawinedoorslagspanning verhogen en lawinedoorslag voorkomen. |
| Het vergroten van de dikte van het uitputtingsgebied | De doteringsconcentratie en de voorspanning beĆÆnvloeden de dikte van het uitputtingsgebied in een diode. Door het uitputtingsgebied dikker te maken, kan de lawinedoorslagspanning worden verhoogd en kan lawinedoorslag worden gestopt. |
| Goede warmteafvoer | Te veel warmte kan diodes afbreken en ervoor zorgen dat ze defect raken. Koellichamen en andere manieren om dingen af āāte koelen, kunnen helpen voorkomen dat een lawine kapot gaat. |
| Zekeringen en overspanningsbeveiligingen | Zekeringen en overspanningsbeveiligingen helpen elektronische circuits te beschermen tegen spanningspieken en andere voorbijgaande gebeurtenissen die lawinestoringen kunnen veroorzaken. |
Spanning en lawinedoorslag
Diƫlektrische sterkte en doorslagspanning
Het vermogen van een materiaal om elektrische spanning te weerstaan āāzonder af te breken en geleidend te worden, wordt gemeten aan de hand van de diĆ«lektrische sterkte. Volt per centimeter is een gebruikelijke manier om het te meten.
De faalkans bij deze spanning is zo klein dat isolatie kan worden aangebracht in de veronderstelling dat deze bij deze spanning niet zal breken.
AC-doorslagspanningen en impulsdoorslagspanningen zijn beide manieren om de diƫlektrische sterkte van een materiaal te meten.
De wisselspanning is de lijnfrequentie van het net, terwijl de impulsdoorslagspanning blikseminslag imiteert.
Het duurt gewoonlijk 1,2 microseconden voordat de golf stijgt tot 90% amplitude, en vervolgens 50 microseconden om terug te vallen tot 50% amplitude.
Conclusie
Kortom, lawinedoorslag en spanning lijken misschien ingewikkelde ideeƫn die alleen experts kunnen begrijpen, maar het zijn beide belangrijke onderdelen van moderne elektronica.
Door te weten hoe deze dingen werken en hoe ze kunnen worden gebruikt in elektronische apparaten, kunnen ingenieurs ontwerpen maken die efficiƫnter en unieker zijn.
De studie van lawinespanning en doorslag is misschien nog belangrijker omdat het laat zien hoe krachtig en nuttig elektronica kan zijn.
Het is gemakkelijk om de gereedschappen en machines die we dagelijks gebruiken als vanzelfsprekend te beschouwen, maar het is verbazingwekkend om na te denken over de verbazingwekkende krachten die erin aan het werk zijn.
Dus, als je blijft leren over techniek, vergeet dan niet je te verbazen over de slimheid en creativiteit die nodig zijn om de technologie te maken die we elke dag gebruiken.
Wie kan het zeggen? Misschien ben jij degene die het volgende grote ding vindt op het gebied van lawine-afbraak of spanning, wat in de toekomst tot nog grotere dingen zal leiden.
Delen opā¦
