Jeśli jesteś studentem inżynierii lub inżynierem, prawdopodobnie wiesz, jak ważne jest napięcie w elektronice.
Ale co z napięciem lawinowym? Ta interesująca rzecz dzieje się, gdy na złączu półprzewodnikowym pn następuje nagły wzrost prądu, który powoduje pękanie materiału.
Choć brzmi to jak niszcząca siła, awaria lawinowa jest obecnie ważną częścią wielu urządzeń elektronicznych, takich jak fotodiody i diody Zenera.
Zrozumienie napięcia lawinowego i tego, jak można je wykorzystać w prawdziwym życiu, może zmienić zasady gry dla inżynierów i pomóc im w tworzeniu lepszych, bardziej wydajnych projektów.
Chodź więc z nami, gdy będę opowiadał o fascynującym świecie napięcia lawinowego i jego wpływie na dziedzinę inżynierii.
Formalna definicja:
Napięcie wsteczne wymagane do wywołania lawinowego przebicia złącza półprzewodnikowego pn.
Napięcie lawinowe i szerokość warstwy zubożenia
Napięcie lawinowe to napięcie, przy którym dochodzi do przebicia lawinowego w diodzie złącza pn.
Kiedy polaryzacja zaporowa zostanie umieszczona na słabo domieszkowanym złączu pn, pole elektryczne przyspiesza elektrony w warstwie zubożonej, nadając im dużą prędkość.
Energia ta może powodować jonizację atomów w sieci krystalicznej, powodując duży przepływ prądu.
Związek między szerokością warstwy zubożonej a napięciem lawinowym
Napięcie lawinowe diody jest związane z szerokością warstwy zubożonej w złączu półprzewodnikowym.
Część złącza pn, w której nie ma wolnych nośników ładunku, nazywana jest warstwą zubożoną.
Powstaje, gdy przewoźnicy mniejszościowi przechodzą przez węzeł pn. To sprawia, że region z opłatą netto powstrzymuje ruch większej liczby przewoźników mniejszościowych.
Szerokość warstwy zubożonej zależy od ilości domieszkowania i zastosowanego napięcia polaryzacji. Diody o wysokich napięciach przebicia są słabo domieszkowane, co powoduje, że warstwy zubożone są szerokie.
Z drugiej strony diody o niskim napięciu przebicia są silnie domieszkowane, co powoduje, że warstwy zubożone są wąskie.
Napięcie lawinowe będzie większe, jeśli warstwa zubożona będzie większa. Dzieje się tak, ponieważ szersze warstwy zubożone mają większe pole elektryczne, które przyspiesza elektrony do większych prędkości.
Powoduje to, że więcej elektronów staje się jonami, więc napięcie przebicia jest wyższe.
Rozważania projektowe
Podczas wykonywania diod złączowych pn należy wziąć pod uwagę związek między napięciem lawinowym a szerokością warstwy zubożonej.
Dioda o wysokim napięciu przebicia jest przydatna do wielu rzeczy, takich jak regulacja napięcia i odwrócenie przepływu mocy.
Aby osiągnąć wysokie napięcie przebicia, warstwa zubożona musi być szeroka, co można osiągnąć, stosując lekko domieszkowany materiał półprzewodnikowy.
Krótko mówiąc, napięcie lawinowe to napięcie, przy którym przebicie lawinowe powoduje uszkodzenie diody złącza pn.
Napięcie lawinowe jest związane z szerokością warstwy zubożonej, ponieważ wpływa na napięcie, przy którym dioda ulega uszkodzeniu.
Zrozumienie zależności między napięciem lawinowym a szerokością warstwy zubożonej jest ważne dla projektowania i optymalizacji diod złączowych pn do różnych zastosowań.
Awaria lawinowa w złączach PN Semiconductor
Awaria lawinowa to proces, który ma miejsce, gdy napięcie wsteczne na słabo domieszkowanym złączu pn jest wyższe niż pewien poziom, zwany napięciem przebicia.
Przy tym napięciu pole elektryczne na złączu jest wystarczająco silne, aby odepchnąć elektrony i uwolnić je z wiązań kowalencyjnych.
Wolne elektrony uderzają następnie w inne atomy w urządzeniu, uwalniając więcej elektronów i wywołując lawinę prądu.
Nazywa się to „mnożeniem nośników” i powoduje znaczny wzrost przepływu prądu przez złącze pn.
Mechanizm załamania lawinowego i porównanie z załamaniem Zenera
Awaria lawinowa ma miejsce, gdy wolne elektrony i atomy w urządzeniu zderzają się ze sobą.
Z drugiej strony przebicie Zenera jest spowodowane silnym polem elektrycznym na złączu pn.
Zarówno rozpad lawinowy, jak i rozpad Zenera obejmują tworzenie i ruch elektronów i dziur wewnątrz materiału półprzewodnikowego.
Ale największą różnicą między tymi dwoma rodzajami rozpadu jest sposób tworzenia pary elektron-dziura.
Różnice między awariami lawinowymi i Zenera
Przebicie lawinowe jest nieodwracalne i zachodzi przy wyższym napięciu wstecznym niż przebicie Zenera.
Napięcie przebicia jest kontrolowane przez ilość domieszkowania w materiale półprzewodnikowym.
Wraz ze wzrostem ilości domieszkowania rośnie zarówno współczynnik temperaturowy metody lawinowej, jak i wielkość napięcia przebicia.
Załamanie lawinowe ma miejsce w materiałach z niewielką ilością domieszkowania, podczas gdy załamanie Zenera ma miejsce w materiałach z dużą ilością domieszkowania.
Złącze diody nie wróci do miejsca, w którym znajdowało się po awarii lawinowej, ale wróci do miejsca, w którym znajdowało się po awarii Zenera.
Awarie lawinowe zdarzają się w grubych częściach materiału półprzewodnikowego, podczas gdy awarie Zenera zdarzają się w cienkich częściach.
Warto zauważyć, że oba rodzaje awarii prawdopodobnie nie wystąpią w tym samym czasie.
Każdy rodzaj awarii jest spowodowany różnymi czynnikami i jest mało prawdopodobne, aby oba wystąpiły w tym samym czasie.
Wideo: Zrozumienie efektu lawiny: wprowadzenie
Wskazówka: włącz przycisk napisów, jeśli go potrzebujesz. Wybierz „automatyczne tłumaczenie” w przycisku ustawień, jeśli nie znasz języka angielskiego. Może być konieczne kliknięcie najpierw języka filmu, zanim Twój ulubiony język będzie dostępny do tłumaczenia.
Praktyczne zastosowania załamania lawinowego
Przebicie lawinowe to zjawisko, które może wystąpić zarówno w materiałach izolacyjnych, jak i półprzewodnikowych.
Dzieje się tak, gdy duży prąd może przepływać przez materiały, które zwykle są dobrymi izolatorami.
Proces ten można wykorzystać w urządzeniach elektronicznych do wykonywania przydatnych rzeczy, takich jak zatrzymywanie przepięć, ochrona przed przepięciami, wykorzystywanie jako odniesienia napięcia i tworzenie źródeł prądu.
Tłumienie przepięć
W obwodach przeciwprzepięciowych przebicie lawinowe służy do ochrony urządzeń elektronicznych przed skokami napięcia spowodowanymi uderzeniami pioruna, impulsami elektromagnetycznymi lub innymi rzeczami.
W tym przypadku chronione urządzenie jest połączone równolegle z diodą lawinową.
Kiedy napięcie na urządzeniu jest wyższe niż napięcie przebicia diody, dioda przechodzi w obszar przebicia lawinowego, który odbiera dodatkowe napięcie z chronionego urządzenia.
Dzięki temu przepięcia elektryczne nie uszkodzą urządzenia.
Obwody ochrony przeciwprzepięciowej
Awaria lawinowa stosowana jest również w obwodach zabezpieczających urządzenia elektroniczne przed uszkodzeniem przez zbyt duże napięcie.
W tych obwodach chronione urządzenie jest połączone szeregowo z diodą lawinową.
Kiedy napięcie na urządzeniu jest wyższe niż napięcie przebicia diody, dioda przechodzi w obszar przebicia lawinowego, który ogranicza napięcie na chronionym urządzeniu.
Obwody odniesienia napięcia
W obwodach odniesienia napięciowego stosuje się przebicie lawinowe, aby upewnić się, że napięcie odniesienia jest stabilne i dokładne.
Jako napięcie odniesienia w tych obwodach stosowana jest dioda lawinowa z polaryzacją wsteczną.
Napięcie przebicia diody jest bardzo stabilne i zależy od tego, jak duże jest domieszkowanie podczas jej wytwarzania. To sprawia, że jest to doskonałe napięcie odniesienia do zastosowań wymagających dużej dokładności.
Bieżące źródła
Przebicie lawinowe jest stosowane w źródłach prądu, w których potrzebny jest stabilny prąd, na przykład w precyzyjnym oprzyrządowaniu i obwodach pomiarowych.
W tych obwodach dioda lawinowa jest połączona szeregowo z rezystorem.
Napięcie przebicia diody i wartość rezystora określają, ile prądu przepływa przez obwód.
Kontrola i zapobieganie załamaniu lawinowemu
W obwodach elektronicznych istnieje wiele sposobów zatrzymywania lub kontrolowania przebicia lawinowego.
Diody lawinowe
Dioda lawinowa to jeden ze sposobów na zatrzymanie lawiny. Diody lawinowe są przystosowane do pracy w obszarze przebicia wstecznego i służą do ochrony obwodów przed niepożądanymi napięciami.
Złącze diody lawinowej jest rozkładane równomiernie na całym złączu. Zapobiega to koncentracji prądu i tworzeniu się gorących punktów.
W przeciwieństwie do diody niealwinowej, napięcie przebicia diody lawinowej pozostaje prawie takie samo, jak zmienia się prąd.
Urządzenia tłumiące stany przejściowe i blokowanie napięcia
Obwody elektroniczne można również zabezpieczyć przed awarią lawinową za pomocą urządzeń tłumiących stany przejściowe i blokowanie napięcia.
Diody Zenera są często używane do ograniczania napięcia.
Gdy używane są dwie diody Zenera z tym samym napięciem przebicia wstecznego, napięcie przejściowe o dowolnej polaryzacji zostanie ograniczone do tego samego poziomu napięcia Zenera.
MOSFETy
Gdy napięcie jest wyższe niż napięcie przebicia tranzystora MOSFET, może on również przejść w tryb lawinowy, co może powodować problemy.
Lawinowej awarii tranzystorów MOSFET można uniknąć dzięki dobremu projektowi obwodów i starannemu doborowi tranzystorów MOSFET o odpowiednich wartościach napięcia.
Dodatkowe sposoby zapobiegania załamaniu lawinowemu
Istnieje więcej sposobów na zatrzymanie awarii lawinowej w obwodach elektronicznych niż tylko użycie diod lawinowych, urządzeń tłumiących stany przejściowe, ograniczanie napięcia i staranny dobór tranzystorów MOSFET.
Tutaj jest kilka z nich:
| Wskazówka dotycząca zapobiegania: | Opis: |
|---|---|
| Regulacja poziomu domieszkowania diody | Napięcie przebicia diody zależy od tego, ile domieszkowania zostanie użyte podczas jej wytwarzania. Zmieniając poziom dopingu, możesz podnieść napięcie przebicia lawinowego i zapobiec wystąpieniu przebicia lawinowego. |
| Zwiększenie grubości obszaru zubożenia | Stężenie domieszkowania i napięcie polaryzacji wpływają na grubość obszaru zubożenia w diodzie. Dzięki pogrubieniu obszaru zubożenia można podnieść napięcie przebicia lawinowego i zatrzymać przebicie lawinowe. |
| Właściwe odprowadzanie ciepła | Zbyt dużo ciepła może uszkodzić diody i spowodować ich awarię. Radiatory i inne sposoby na schłodzenie rzeczy mogą pomóc w powstrzymaniu lawiny przed załamaniem. |
| Bezpieczniki i ochronniki przeciwprzepięciowe | Bezpieczniki i ochronniki przeciwprzepięciowe pomagają chronić obwody elektroniczne przed skokami napięcia i innymi zdarzeniami przejściowymi, które mogą spowodować awarię lawinową. |
Napięcie i awaria lawinowa
Wytrzymałość dielektryczna i napięcie przebicia
Zdolność materiału do wytrzymywania naprężeń elektrycznych bez rozpadu i przewodzenia jest mierzona jego wytrzymałością dielektryczną. Wolty na centymetr to powszechny sposób pomiaru.
Prawdopodobieństwo awarii przy tym napięciu jest na tyle niskie, że można wykonać izolację przy założeniu, że nie pęknie ona przy tym napięciu.
Napięcia przebicia AC i impulsowe napięcia przebicia to oba sposoby pomiaru wytrzymałości dielektrycznej materiału.
Napięcie przemienne to częstotliwość sieci zasilającej, podczas gdy impulsowe napięcie przebicia imituje uderzenie pioruna.
Fala zwykle potrzebuje 1,2 mikrosekundy, aby wzrosnąć do 90% amplitudy, a następnie 50 mikrosekund, aby spaść z powrotem do 50% amplitudy.
Wniosek
Podsumowując, przebicie lawinowe i napięcie mogą wydawać się skomplikowanymi koncepcjami, które mogą zrozumieć tylko eksperci, ale oba są ważnymi elementami współczesnej elektroniki.
Wiedząc, jak te rzeczy działają i jak można je wykorzystać w urządzeniach elektronicznych, inżynierowie mogą tworzyć projekty, które są bardziej wydajne i niepowtarzalne.
Badanie napięcia lawinowego i przebicia może być jeszcze ważniejsze, ponieważ pokazuje, jak potężna i użyteczna może być elektronika.
Łatwo jest uznać narzędzia i maszyny, których używamy na co dzień, za coś oczywistego, ale niesamowite jest myślenie o niesamowitych siłach, które w nich działają.
Tak więc, kontynuując naukę inżynierii, nie zapomnij być zdumiony pomysłowością i kreatywnością, które składają się na tworzenie technologii, z których korzystamy na co dzień.
Kto może powiedzieć? Być może będziesz tym, który znajdzie kolejną wielką rzecz w przebiciu lawinowym lub napięciu, co doprowadzi do jeszcze większych rzeczy w przyszłości.
Podziel się na…
