Introduksjon Til Skredspenning

Hvis du er ingeniørstudent eller ingeniør, vet du sannsynligvis hvor viktig spenning er i elektronikk.

Men hva med skredspenning? Denne interessante tingen skjer når et pn-halvlederkryss har en plutselig økning i strøm, noe som får materialet til å brytes ned.

Selv om det høres ut som en destruktiv kraft, er skredsammenbrudd nå en viktig del av mange elektroniske enheter, som fotodioder og Zener-dioder.

Å forstå snøskredspenning og hvordan den kan brukes i det virkelige liv kan være en spillskifter for ingeniører og hjelpe dem med å lage bedre og mer effektive design.

Så kom med oss ​​mens jeg snakker om den fascinerende verden av skredspenning og hvordan den påvirker ingeniørfeltet.

Formell definisjon:

Reversspenningen som kreves for å forårsake snøskred i et pn-halvlederkryss.

Skredspenning og utarmingslagsbredde

Skredspenning er spenningen som skredsammenbrudd skjer i en pn-kryssdiode.

Når en omvendt bias settes på et lett dopet pn-kryss, øker det elektriske feltet elektronene i utarmingslaget, og gir dem mye fart.

Denne energien kan forårsake ionisering av atomer i krystallgitteret, noe som resulterer i en stor strømflyt.

Forholdet mellom uttømmingslagsbredde og skredspenning

Skredspenningen til en diode er relatert til bredden av utarmingslaget i et halvlederkryss.

Den delen av pn-krysset hvor det ikke er frie ladningsbærere kalles uttømmingslaget.

Det lages når minoritetsbærere beveger seg over pn-krysset. Dette gjør en region med en nettoavgift som stopper flere minoritetsbærere fra å flytte.

Hvor bredt utarmingslaget er avhenger av mengden doping og forspenningen som brukes. Dioder med høye gjennomslagsspenninger er lett dopet, noe som gjør uttømmingslag som er brede.

Dioder med lav gjennomslagsspenning er derimot kraftig dopet, noe som gjør utarmingslag som er smale.

Skredspenningen blir større dersom utarmingslaget er større. Dette er fordi bredere utarmingslag har et større elektrisk felt, noe som øker elektronene til høyere hastigheter.

Dette fører til at flere elektroner blir ioner, så nedbrytningsspenningen er høyere.

Designhensyn

Når du lager pn junction dioder, er det viktig å tenke på forholdet mellom skredspenningen og bredden på utarmingslaget.

En diode med høy sammenbruddsspenning er nyttig til mange ting, som å regulere spenning og reversere strømstrømmen.

For å oppnå en høy gjennombruddsspenning må utarmingslaget være bredt, noe som kan oppnås ved å bruke lett dopet halvledermateriale.

Kort sagt, skredspenning er spenningen som skredsammenbrudd fører til at en pn-kryssdiode bryter sammen.

Skredspenningen er knyttet til bredden på utarmingslaget fordi den påvirker spenningen som dioden bryter ned ved.

Å forstå forholdet mellom skredspenningen og bredden på uttømmingslaget er viktig for å designe og optimalisere pn-overgangsdioder for ulike bruksområder.

Skredsammenbrudd i PN Semiconductor Junctions

Skredsammenbrudd er en prosess som skjer når reversspenningen over et lett dopet pn-kryss er høyere enn et visst nivå, kalt sammenbruddsspenningen.

Ved denne spenningen er det elektriske feltet i krysset sterkt nok til å presse på elektronene og bryte dem fri fra deres kovalente bindinger.

De frie elektronene treffer deretter andre atomer i enheten, frigjør flere elektroner og forårsaker et snøskred.

Dette kalles "bærermultiplikasjon", og det fører til at strømmen gjennom pn-krysset øker betydelig.

Mekanisme for lavinesammenbrudd og sammenligning med Zener-sammenbrudd

Skredsammenbrudd skjer når frie elektroner og atomer i enheten støter mot hverandre.

Zener-nedbrytning, derimot, er forårsaket av et sterkt elektrisk felt over pn-krysset.

Både skredsammenbruddet og Zener-sammenbruddet involverer dannelse og bevegelse av elektroner og hull inne i halvledermaterialet.

Men den største forskjellen mellom de to typer sammenbrudd er hvordan elektron-hull-paret er laget.

Forskjeller mellom Avalanche og Zener Breakdowns

Skredsammenbrudd er irreversibelt og skjer ved en høyere reversspenning enn Zener-sammenbrudd.

Nedbrytingsspenningen styres av mengden doping i halvledermaterialet.

Etter hvert som mengden doping øker, går både skredmetodens temperaturkoeffisient og størrelsen på nedbrytningsspenningen opp.

Skredsammenbrudd skjer i materialer med en liten mengde doping, mens Zener-sammenbrudd skjer i materialer med mye doping.

Krysset til en diode vil ikke gå tilbake til der det var etter et snøskred, men det vil gå tilbake til der det var etter et Zener-havari.

Skredbrudd skjer i tykke deler av halvledermaterialet, mens Zener-sammenbrudd skjer i tynne deler.

Det er verdt å merke seg at begge typer sammenbrudd sannsynligvis ikke vil skje samtidig.

Hver type sammenbrudd er forårsaket av forskjellige ting, og det er usannsynlig at begge vil skje samtidig.

Video: Forstå skredeffekten: en introduksjon

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.

Praktiske anvendelser av snøskred

Skredsammenbrudd er et fenomen som kan skje i både isolerende og halvledende materialer.

Dette er når en stor strøm kan flyte gjennom materialer som normalt er gode isolatorer.

Prosessen kan brukes i elektroniske enheter for å gjøre nyttige ting som å stoppe overspenninger, beskytte mot overspenning, bruke som spenningsreferanse og lage strømkilder.

Overspenningsundertrykkelse

I overspenningsdempende kretser brukes snøskred for å beskytte elektroniske enheter mot spenningstopper forårsaket av lynnedslag, elektromagnetiske pulser eller andre ting.

I dette tilfellet kobles enheten som skal beskyttes parallelt med en skreddiode.

Når spenningen over enheten er høyere enn diodens nedbrytningsspenning, går dioden inn i skredsammenbruddsområdet, som tar den ekstra spenningen bort fra enheten som beskyttes.

Dette forhindrer at strømmen av elektrisitet skader enheten.

Overspenningsbeskyttelseskretser

Skredsammenbrudd brukes også i kretser som beskytter elektroniske enheter fra å bli skadet av for mye spenning.

I disse kretsene er enheten som skal beskyttes koblet i serie med en skreddiode.

Når spenningen over enheten er høyere enn diodens sammenbruddsspenning, går dioden inn i skredsammenbruddsområdet, noe som begrenser spenningen over enheten som beskyttes.

Spenningsreferansekretser

I spenningsreferansekretser brukes skredbrudd for å sikre at referansespenningen er stabil og nøyaktig.

Som en spenningsreferanse brukes en skreddiode med en forspenning bakover i disse kretsene.

Diodens nedbrytningsspenning er veldig stabil og avhenger av hvor mye doping som gjøres når den lages. Dette gjør den til en flott referansespenning for applikasjoner som krever høy nøyaktighet.

Aktuelle kilder

Skredsammenbrudd brukes i strømkilder der det er behov for en stabil strøm, for eksempel i presisjonsinstrumentering og målekretser.

I disse kretsene er en skreddiode koblet i serie med en motstand.

Diodens sammenbruddsspenning og verdien til motstanden bestemmer hvor mye strøm som flyter gjennom kretsen.

Kontroll og forebygging av snøskred

I elektroniske kretser er det en rekke måter å stoppe eller kontrollere snøskred.

Skreddioder

En skreddiode er en måte å stoppe et skred fra å gå i stykker. Skreddioder er laget for å fungere i omvendt sammenbruddsregion, og de brukes til å beskytte kretser mot spenninger som ikke er ønsket.

Krysset til en skreddiode er laget for å bryte ned jevnt over hele krysset. Dette hindrer strøm fra å konsentrere seg og varme flekker fra å dannes.

I motsetning til en ikke-skreddiode, forblir nedbrytningsspenningen til en skreddiode nesten den samme som strømmen endres.

Transient dempingsenheter og spenningsklemming

Elektroniske kretser kan også sikres mot snøskred ved hjelp av transientdempende enheter og spenningsklemming.

Zenerdioder brukes ofte til å klemme spenning.

Når to zenerdioder med samme omvendte gjennomslagsspenning brukes, vil en transientspenning med begge polariteter klemmes på samme zenerspenningsnivå.

MOSFET-er

Når en spenning er høyere enn MOSFETs nedbrytningsspenning, kan den også gå i skredmodus, noe som kan forårsake problemer.

Skredbrudd i MOSFET-er kan unngås med god kretsdesign og nøye valg av MOSFET-er med riktig spenningsklassifisering.

Ytterligere måter å forhindre snøskred

Det er flere måter å stoppe skredsammenbrudd i elektroniske kretser enn bare å bruke skreddioder, transientdempende enheter, spenningsklemming og nøye valg av MOSFET-er.

Her er noen av dem:

Forebyggingstips:	Beskrivelse:
Justering av diodens dopingnivå	Nedbrytningsspenningen til en diode avhenger av hvor mye doping som brukes når den lages. Ved å endre nivået på doping kan du øke skredsammenbruddsspenningen og stoppe skredsammenbrudd.
Øke tykkelsen på utarmingsområdet	Dopingkonsentrasjonen og forspenningen påvirker tykkelsen på utarmingsområdet i en diode. Ved å gjøre utarmingsområdet tykkere, kan skredsammenbruddsspenningen heves og skredsammenbruddet kan stoppes.
Riktig varmeavledning	For mye varme kan bryte ned dioder og få dem til å svikte. Varmeavledere og andre måter å kjøle ned ting på kan bidra til å forhindre at et snøskred bryter sammen.
Sikringer og overspenningsvern	Sikringer og overspenningsvern hjelper til med å beskytte elektroniske kretser mot spenningsstøt og andre forbigående hendelser som kan forårsake snøskred.

Spennings- og snøskredbrudd

Dielektrisk styrke og sammenbruddsspenning

Et materiales evne til å motstå elektrisk påkjenning uten å bryte ned og bli ledende måles ved dets dielektriske styrke. Volt per centimeter er en vanlig måte å måle det på.

Sjansen for svikt ved denne spenningen er lav nok til at det kan lages isolasjon med antagelse om at den ikke vil bryte ved denne spenningen.

AC-nedbrytningsspenninger og impulsgjennombruddsspenninger er begge måter å måle den dielektriske styrken til et materiale.

Vekselspenningen er nettfrekvensen på nettet, mens impulsbruddspenningen imiterer lynnedslag.

Det tar vanligvis bølgen 1,2 mikrosekunder å stige til 90 % amplitude, deretter 50 mikrosekunder å falle tilbake til 50 % amplitude.

Konklusjon

Avslutningsvis kan skredsammenbrudd og spenning virke som kompliserte ideer som bare eksperter kan forstå, men de er begge viktige deler av moderne elektronikk.

Ved å vite hvordan disse tingene fungerer og hvordan de kan brukes i elektroniske enheter, kan ingeniører lage design som er mer effektive og unike.

Studiet av skredspenning og sammenbrudd kan være enda viktigere fordi det viser hvor kraftig og nyttig elektronikk kan være.

Det er lett å ta verktøyene og maskinene vi bruker hver dag for gitt, men det er utrolig å tenke på de fantastiske kreftene som virker inni dem.

Så mens du fortsetter å lære om ingeniørkunst, ikke glem å bli overrasket over smartheten og kreativiteten som ligger i å lage teknologien vi bruker hver dag.

Hvem kan si? Kanskje blir du den som finner den neste store tingen innen snøskred eller spenning, som vil føre til enda større ting i fremtiden.