Hvis du er ingeniørstudent eller ingeniør, vet du sannsynligvis hvor viktig det er å ha pålitelige elektroniske enheter for en lang rekke bruksområder.
Men har du noen gang tenkt på hva som skjer når sterke elektriske felt treffer disse enhetene? Det er her skredeffekten kommer inn, og å forstå den er nøkkelen til å sørge for at elektroniske systemer fungerer bra og er trygge.
I dette blogginnlegget vil jeg se på skredeffekten mer detaljert, inkludert dens årsaker, virkninger og bruk i den virkelige verden.
Dette er et tema du ikke vil gå glipp av, enten du er en erfaren ingeniør eller nettopp har begynt. Så spenn deg fast og gjør deg klar til å utforske den elektrifiserende verden av skredeffekten!
Introduksjon til Avalanche Effect
Formell definisjon:
Den kumulative prosessen der et elektron eller annen ladet partikkel akselerert av et sterkt elektrisk felt kolliderer med og ioniserer gassmolekyler, og frigjør dermed nye elektroner som igjen har flere kollisjoner, slik at utladningen dermed blir selvopprettholdt.
Skredeffekt: En generell forklaring
Skredeffekten er en grunnleggende fysisk effekt som skjer i elektroniske enheter når et elektron eller annen ladet partikkel som har blitt fremskyndet av et sterkt elektrisk felt, treffer gassmolekyler og ioniserer dem.
Denne prosessen lager nye elektroner, som deretter kolliderer med flere elektroner, og lager en utladning som fortsetter av seg selv.
Skredeffekten brukes ofte til å lage elektroniske enheter, for eksempel skreddioder, strålingsdetektorer og partikkeldetektorer.
Skredeffekt i en diode
Skredeffekten skjer i en diode når en høy reversspenning påføres over krysset. Dette skaper et sterkt elektrisk felt som øker hastigheten på elektronene nær krysset.
Når disse elektronene beveger seg over krysset, støter de inn i atomer i krystallgitteret. Dette gjør at atomene ioniserer og slipper ut flere elektroner.
Disse nye elektronene øker deretter og treffer flere atomer, og skaper en kjedereaksjon av ionisering og en strømflyt som fortsetter av seg selv.
Dette kalles "skredeffekten", og det skjer når dioder er laget for å fungere i "omvendt sammenbruddsregion."
Skreddioder
En skreddiode er en type halvlederdiode som er laget for å bryte ned i et snøskred ved en viss spenning.
Pn-krysset til en skreddiode er laget for å stoppe strømkonsentrasjonen og de varme punktene som kommer fra den, slik at skredeffekten ikke skader dioden.
Skreddioden er laget på samme måte som Zener-dioden, og både Zener-sammenbruddet og skredsammenbruddet kan skje i disse diodene.
Skreddioder er designet for å fungere best under skredsammenbrudd, så de har et lite, men merkbart fall i spenningen når de bryter sammen.
Eksempel på lavineeffekt i en diode
Bruken av skredsammenbrudd for å kontrollere spenningen i en krets er et eksempel på skredeffekten i en diode.
I dette tilfellet er dioden laget for å fungere i omvendt sammenbruddsregion, hvor skredeffekten kan gi et stabilt og forutsigbart spenningsfall.
Dioden kan brukes som en shunt for å beskytte andre deler mot overspenning eller for å begrense spenningen over en last.
Skredeffekten i en diode er en nøkkelmåte for å kontrollere spenningen på en svært presis måte. Den finnes i et bredt spekter av elektroniske enheter.
Video: Avalanche Breakdown og Zener Breakdown Effect forklart
Tips: Slå på bildetekstknappen hvis du trenger det. Velg "automatisk oversettelse" i innstillingsknappen hvis du ikke er kjent med det engelske språket. Du må kanskje klikke på språket til videoen først før favorittspråket ditt blir tilgjengelig for oversettelse.
Viktigheten av skredeffekt i elektroniske enheter
Skredeffekten og Zener-effekten er to typer elektrisk sammenbrudd som kan skje i pn-dioder og andre elektroniske enheter.
Skredeffekten er et grunnleggende fysisk fenomen som oppstår når et elektron eller en annen ladet partikkel som har blitt fremskyndet av et sterkt elektrisk felt, krasjer inn i gassmolekyler og ioniserer dem.
Denne prosessen lager nye elektroner, som deretter kolliderer med flere elektroner, og lager en utladning som fortsetter av seg selv.
Skredeffekten brukes ofte til å lage elektroniske enheter, for eksempel skreddioder, strålingsdetektorer og partikkeldetektorer.
Zener-effekt
Zener-effekten er en annen type elektrisk sammenbrudd som kan skje i elektronikk, spesielt i pn-dioder som er forspente i motsatt retning.
Når det elektriske feltet lar elektroner bevege seg fra valensbåndet til ledningsbåndet, skjer denne effekten.
Denne plutselige dannelsen av bærere øker raskt reversstrømmen, noe som fører til Zener-diodens høye skråningskonduktans.
Skredsammenbrudd er forskjellig fra Zener-effekten.
Ved snøskred blir minoritetsbærerelektroner i overgangsregionen fremskyndet av det elektriske feltet til hastigheter høye nok til å frigjøre elektron-hull-par ved å krasje inn i bundne elektroner.
Forskjellen mellom Zener Breakdown og Avalanche Breakdown
Måten Zener-sammenbrudd og snøskred skjer på er hovedforskjellen mellom de to.
Zener-nedbrytning skjer når det er sterke elektriske felt, mens skrednedbrytning skjer når frie elektroner og atomer treffer hverandre.
Begge disse problemene kan skje samtidig.
Skredsammenbrudd skjer oftere i dioder som er laget for å fungere i omvendt sammenbruddsregion, mens Zener-sammenbrudd skjer oftere i dioder som er lett dopet og ved lavere spenninger.
Viktigheten av skredeffekt i elektroniske enheter
Skredeffekten er en sentral del av enkelte elektroniske enheter, som skreddioder og høyspentdioder, fordi den lar spenninger i elektriske kretser styres med stor nøyaktighet.
Skredeffekten kan brukes til mange ting, som å regulere spenning, beskytte mot overspenninger og bytte raskt.
Skreddioder brukes ofte for å beskytte elektroniske enheter mot spenningstopper.
Høyspentdioder bruker skredeffekten til å kontrollere spenningen i elektriske kretser på en svært presis måte.
Beregning og måling av skredeffekt
Testing av lavineeffekt i elektroniske enheter
Unclamped Inductive Switching (UIS)-testen er en måte å teste elektroniske enheter på en rundkjøring for skredeffekten.
UIS-testen er ikke en direkte test for skredeffekten. I stedet sjekker den hvor godt en MOSFET kan håndtere høyspente topper og plutselige spenningsfall.
Under UIS-testen slås bryteren på for å lade induktoren til et visst nivå. Bryteren slås deretter av for å la skredeffekten skje.
Hvor mye snøskredenergi det er avhenger av størrelsen og lengden på spenningsspissen som silisiumenheten klemmer.
MOSFET Avalanche Rating hjelper deg med å sjekke hvor tøff en enhet er og filtrerer ut MOSFET-er som er svakere eller mer sannsynlig går i stykker.
Men det er viktig å huske at skredeffekten ikke alltid er en god ting i elektroniske enheter fordi det kan føre til at de bryter sammen og svikter på en destruktiv måte.
På grunn av dette må folk som designer kretser og lager enheter nøye veie fordelene med skredeffekten opp mot risikoen for overspenningshendelser og andre forbigående forhold.
Skreddioder
Skreddioder er en type halvlederdioder som er laget for å bryte ned i et snøskred ved en viss spenning.
Pn-krysset til en skreddiode er laget for å stoppe strømkonsentrasjonen og de varme punktene som kommer fra den, slik at skredeffekten ikke skader dioden.
Skreddioden er laget på samme måte som Zener-dioden, og både Zener-sammenbruddet og skredsammenbruddet kan skje i disse diodene.
Skreddioder er designet for å fungere best under skredsammenbrudd, så de har et lite, men merkbart fall i spenningen når de bryter sammen.
Skreddioder kan brukes til mange ting, som å regulere spenning, beskytte mot overspenninger og bytte raskt.
Skredeffekten brukes av høyspentdioder for å kontrollere spenningen i elektriske kretser med stor nøyaktighet.
Forbedring og fremme av lavineeffekt
I noen elektroniske enheter kan skredeffekten være en god ting fordi den gjør det vanskeligere for angripere å finne ut klartekst gjennom statistisk analyse.
Så det er måter å få skredeffekten til å skje oftere i kretser, for eksempel:
Heve skjevspenningen over sammenbrudd
En måte å gjøre en krets mer sannsynlig å ha en skredeffekt er å heve forspenningen over sammenbrudd.
Men for å gjøre dette trenger du en krets som kan ta opp på forkanten av skredstrømmen og lage en standard utgangspuls som er tidsbestemt med oppbyggingen av skredet.
Aktiv slukking
I dette tilfellet blir den skarpe starten av skredstrømmen over en 50 motstand (eller en integrert transistor) fanget opp av en rask diskriminator, som sender en digital utgangspuls.
Optimalisering av dopingkonsentrasjoner
Optimalisering av dopingkonsentrasjonene til to tilpassede lag kan bidra til å få et høyt elektrisk felt for skredmultiplikasjonen av elektroner laget av lys.
Denne metoden har blitt brukt for å forbedre kvanteeffektiviteten i bildesensorer. Det har også blitt sagt å bli brukt i CMOS SPAD-er.
Den foreslåtte strukturen bruker også et p-epitaksialt lag med gradient dopingprofil, som gjør at mengden doping øker etter hvert som man går dypere ned i laget.
En slik gradient dopingprofil gjør PDE enda bedre ved å gjøre det lettere for fotogenererte elektroner å bevege seg oppover og samles effektivt i retning av skredmultiplikasjonsområdet.
Townsend Avalanche
Det er viktig å huske at Townsend-skredet startes av et enkelt fritt elektron. Bare frie elektroner kan bevege seg nok rundt i et elektrisk felt til å starte denne prosessen.
Hvis du noen gang kjeder deg og ser etter litt spenning
Tenker du på å lage din egen skredeffekt hjemme? Bare samle et sterkt elektrisk felt og noen få gassmolekyler, og voila – du har en selvvedlikeholdsutladning klar til å gå!
Jeg tuller, selvfølgelig.
Å prøve å lage en skredeffekt utenfor et kontrollert laboratorium er farlig og ikke en god idé.
Selv om ideen om en selvvedlikeholdsutladning kan høres kul ut, kan den ha alvorlige effekter på elektroniske systemer og enheter.
Brukssaker
| Brukt i: | Beskrivelse: |
|---|---|
| Skreddioder | Skreddioder er en av de vanligste måtene skredeffekten brukes på. Disse spesielle diodene er laget for å fungere i regionen der skredeffekten skjer, som er den omvendte sammenbruddsregionen. Resultatet er en jevn, selvbegrensende strøm som kan brukes til et bredt spekter av oppgaver, for eksempel regulering av spenning, beskyttelse mot overspenninger og rask veksling. |
| Oppdager stråling | Å oppdage stråling er en annen viktig bruk av skredeffekten. Den brukes til å lage detektorer for stråling. Spesielt Geiger-Müller-rør er instrumenter som bruker skredeffekten til å finne og måle ioniserende stråling. Når ladede partikler fra strålingen passerer gjennom røret, ioniserer de gassmolekyler, og forårsaker en flom av elektroner som kan sees og måles. |
| Reduserer elektronisk støy | Skredeffekten kan også brukes til å redusere støy i visse typer elektroniske kretser. Spesielt når en skreddiode er koblet i serie med en støykilde, kan den selvbegrensende naturen til skredeffekten bidra til å senke det totale støynivået i systemet. |
| Fysikk av høy energi | Til slutt er skredeffekten en sentral del av høyenergifysikkeksperimenter, der den kan brukes til å finne og måle tilstedeværelsen av høyenergipartikler. Spesielt partikkeldetektorer som Time Projection Chamber bruker skredeffekten til å ionisere gassmolekyler og lage et signal som kan brukes til å spore bevegelsen til ladede partikler. |
Konklusjon
Som vi har sett i dette innlegget, er skredeffekten et interessant og komplisert fenomen som har mange effekter på elektroniske enheter og systemer.
Skredeffekten kan lære oss mye, fra dens grunnleggende årsaker til måtene den kan brukes på i den virkelige verden.
Men bortsett fra de tekniske detaljene gir skredeffekten et unikt syn på hvordan elektrisitet fungerer og hvordan ladede partikler og gassmolekyler samhandler.
Det minner oss om kraften og potensialet til elektrisitet, samt den delikate balansen mellom energi og materie.
Som ingeniører og forskere er det viktig å ikke bare forstå de tekniske aspektene ved skredeffekten, men også å sette pris på undringen og ærefrykten som følger med å utforske mysteriene i den fysiske verden.
Ved å omfavne en følelse av nysgjerrighet og undring, kan vi finne ny innsikt og muligheter i arbeidet vårt, flytte grensene for hva som er mulig og forme morgendagens verden.
Så la skredeffekten være en påminnelse om hvor kraftig og nyttig vitenskap og ingeniørkunst kan være, og en oppfordring til å fortsette å utforske naturens underverk med åpne sinn og en uendelig følelse av undring.
Sammen kan vi åpne opp nye områder og gjøre fremtiden bedre for alle.
Dele på…
