Introdução À Tensão De Avalanche

Se você é estudante de engenharia ou engenheiro, provavelmente sabe a importância da tensão na eletrônica.

Mas e a voltagem de avalanche? Essa coisa interessante acontece quando uma junção semicondutora pn tem um aumento repentino na corrente, o que causa a quebra do material.

Embora pareça uma força destrutiva, a quebra de avalanche é agora uma parte importante de muitos dispositivos eletrônicos, como fotodiodos e diodos Zener.

Compreender a tensão de avalanche e como ela pode ser usada na vida real pode ser um divisor de águas para os engenheiros e ajudá-los a fazer projetos melhores e mais eficientes.

Então, venha conosco enquanto falo sobre o fascinante mundo da voltagem de avalanche e como isso afeta o campo da engenharia.

Definição formal:

A tensão reversa necessária para causar uma avalanche em uma junção semicondutora pn.

Tensão de avalanche e largura da camada de depleção

A tensão de avalanche é a tensão na qual a quebra de avalanche ocorre em um diodo de junção pn.

Quando uma polarização reversa é colocada em uma junção pn levemente dopada, o campo elétrico acelera os elétrons na camada de depleção, dando-lhes muita velocidade.

Essa energia pode causar ionização de átomos na rede cristalina, resultando em um grande fluxo de corrente.

Relação entre a largura da camada de depleção e a tensão de avalanche

A tensão de avalanche de um diodo está relacionada à largura da camada de depleção em uma junção semicondutora.

A parte da junção pn onde não há portadores de carga livre é chamada de camada de depleção.

É feito quando os portadores minoritários se movem através da junção pn. Isso cria uma região com uma carga líquida que impede a movimentação de mais operadoras minoritárias.

A largura da camada de depleção depende da quantidade de dopagem e da tensão de polarização usada. Diodos com altas tensões de ruptura são levemente dopados, o que torna as camadas de depleção largas.

Diodos com baixas tensões de ruptura, por outro lado, são fortemente dopados, o que torna as camadas de depleção estreitas.

A tensão de avalanche será maior se a camada de depleção for maior. Isso ocorre porque as camadas de depleção mais amplas têm um campo elétrico maior, o que acelera os elétrons a velocidades mais rápidas.

Isso faz com que mais elétrons se tornem íons, então a tensão de ruptura é maior.

Considerações de projeto

Ao fazer diodos de junção pn, é importante pensar na relação entre a tensão de avalanche e a largura da camada de depleção.

Um diodo com alta tensão de ruptura é útil para muitas coisas, como regular a tensão e inverter o fluxo de energia.

Para atingir uma alta tensão de ruptura, a camada de depleção deve ser larga, o que pode ser feito usando material semicondutor levemente dopado.

Resumindo, a tensão de avalanche é a tensão na qual a quebra de avalanche causa a quebra de um diodo de junção pn.

A tensão de avalanche está ligada à largura da camada de depleção porque afeta a tensão na qual o diodo quebra.

Compreender a relação entre a tensão de avalanche e a largura da camada de depleção é importante para projetar e otimizar diodos de junção pn para diferentes usos.

Quebra de avalanche em junções de semicondutores PN

A quebra de avalanche é um processo que ocorre quando a tensão reversa através de uma junção pn levemente dopada é maior do que um certo nível, chamado de tensão de ruptura.

Nessa voltagem, o campo elétrico na junção é forte o suficiente para empurrar os elétrons e libertá-los de suas ligações covalentes.

Os elétrons livres então atingem outros átomos no dispositivo, liberando mais elétrons e causando uma avalanche de corrente.

Isso é chamado de "multiplicação de portadora" e faz com que o fluxo de corrente através da junção pn aumente significativamente.

Mecanismo de quebra de avalanche e comparação com quebra de Zener

A quebra de avalanche acontece quando elétrons livres e átomos no dispositivo colidem uns com os outros.

A quebra do Zener, por outro lado, é causada por um forte campo elétrico na junção pn.

Tanto a quebra da avalanche quanto a quebra do Zener envolvem a criação e o movimento de elétrons e buracos dentro do material semicondutor.

Mas a maior diferença entre os dois tipos de quebra é como o par elétron-buraco é feito.

Diferenças entre Avalanche e Zener Breakdowns

A quebra de avalanche é irreversível e ocorre em uma tensão reversa mais alta do que a quebra de Zener.

A tensão de ruptura é controlada pela quantidade de dopagem no material semicondutor.

À medida que a quantidade de dopagem aumenta, tanto o coeficiente de temperatura do método de avalanche quanto o tamanho da tensão de ruptura aumentam.

A quebra de avalanche ocorre em materiais com pouca dopagem, enquanto a quebra de Zener ocorre em materiais com muita dopagem.

A junção de um diodo não vai voltar para onde estava depois de uma avalanche, mas vai voltar para onde estava depois de um Zener.

As quebras de avalanche acontecem em partes espessas do material semicondutor, enquanto as quebras de Zener acontecem em partes finas.

Vale a pena notar que ambos os tipos de avaria não são susceptíveis de ocorrer ao mesmo tempo.

Cada tipo de avaria é causado por coisas diferentes e é improvável que ambas aconteçam ao mesmo tempo.

Vídeo: Entendendo o efeito avalanche: uma introdução

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Aplicações práticas da quebra de avalanches

A quebra de avalanche é um fenômeno que pode acontecer em materiais isolantes e semicondutores.

É quando uma grande corrente pode fluir através de materiais que normalmente são bons isolantes.

O processo pode ser usado em dispositivos eletrônicos para fazer coisas úteis como interromper surtos, proteger contra sobretensão, usar como referência de tensão e criar fontes de corrente.

Supressão de surto

Em circuitos de supressão de surtos, a quebra de avalanche é usada para proteger dispositivos eletrônicos de picos de tensão causados ​​por raios, pulsos eletromagnéticos ou outras coisas.

Neste caso, o dispositivo a ser protegido é conectado em paralelo com um diodo de avalanche.

Quando a voltagem através do dispositivo é maior que a voltagem de ruptura do diodo, o diodo entra na região de quebra de avalanche, que retira a voltagem extra do dispositivo que está sendo protegido.

Isso evita que o pico de eletricidade danifique o dispositivo.

Circuitos de proteção contra sobretensão

A quebra de avalanche também é usada em circuitos que protegem os dispositivos eletrônicos de serem danificados por muita voltagem.

Nestes circuitos, o dispositivo a ser protegido é conectado em série com um diodo avalanche.

Quando a tensão no dispositivo é maior que a tensão de ruptura do diodo, o diodo entra na região de ruptura de avalanche, o que limita a tensão no dispositivo que está sendo protegido.

Circuitos de referência de tensão

Em circuitos de referência de tensão, a quebra de avalanche é usada para garantir que a tensão de referência seja estável e precisa.

Como referência de tensão, um diodo avalanche com polarização inversa é usado nesses circuitos.

A tensão de ruptura do diodo é muito estável e depende de quanto doping é feito quando é feito. Isso o torna uma ótima tensão de referência para aplicações que exigem alta precisão.

Fontes Atuais

A quebra de avalanche é usada em fontes de corrente onde é necessária uma corrente estável, como em instrumentação de precisão e circuitos de medição.

Nesses circuitos, um diodo avalanche é conectado em série com um resistor.

A tensão de ruptura do diodo e o valor do resistor determinam quanta corrente flui através do circuito.

Controle e prevenção de quebra de avalanche

Nos circuitos eletrônicos, existem várias maneiras de parar ou controlar a avalanche.

diodos de avalanche

Um diodo de avalanche é uma maneira de impedir que uma avalanche se quebre. Os diodos de avalanche são feitos para funcionar na região de ruptura reversa e são usados ​​para proteger os circuitos de tensões indesejadas.

A junção de um diodo de avalanche é feita para quebrar uniformemente em toda a junção. Isso evita que a corrente se concentre e que pontos quentes se formem.

Em contraste com um diodo não avalanche, a tensão de ruptura de um diodo avalanche permanece quase a mesma conforme as mudanças de corrente.

Dispositivos de supressão transitória e fixação de tensão

Os circuitos eletrônicos também podem ser protegidos contra falhas de avalanche com a ajuda de dispositivos de supressão de transientes e fixação de tensão.

Os diodos Zener são frequentemente usados ​​para reduzir a tensão.

Quando dois diodos zener com a mesma tensão de ruptura reversa são usados, uma tensão transiente de qualquer polaridade será fixada no mesmo nível de tensão zener.

MOSFETs

Quando uma tensão é maior que a tensão de ruptura do MOSFET, ele também pode entrar em modo de avalanche, o que pode causar problemas.

A quebra de avalanche em MOSFETs pode ser evitada com um bom projeto de circuito e uma escolha cuidadosa de MOSFETs com as classificações de tensão corretas.

Formas adicionais de evitar avarias de avalanche

Existem mais maneiras de impedir a quebra de avalanche em circuitos eletrônicos do que apenas usar diodos de avalanche, dispositivos de supressão de transientes, fixação de tensão e escolha cuidadosa de MOSFETs.

Aqui estão alguns deles:

Dica de prevenção:	Descrição:
Ajustando o nível de dopagem do diodo	A tensão de ruptura de um diodo depende de quanto doping é usado quando ele é feito. Ao alterar o nível de dopagem, você pode aumentar a tensão de quebra da avalanche e impedir que ela aconteça.
Aumentando a espessura da região de depleção	A concentração de dopagem e a tensão de polarização afetam a espessura da região de depleção em um diodo. Ao tornar a região de depleção mais espessa, a tensão de ruptura da avalanche pode ser aumentada e a quebra da avalanche pode ser interrompida.
Dissipação de calor adequada	Muito calor pode quebrar os diodos e fazer com que eles falhem. Dissipadores de calor e outras maneiras de resfriar as coisas podem ajudar a evitar que uma avalanche se desfaça.
Fusíveis e protetores contra sobretensão	Fusíveis e protetores contra surtos ajudam a proteger os circuitos eletrônicos contra surtos de tensão e outros eventos transitórios que podem causar falha de avalanche.

Quebra de tensão e avalanche

Resistência dielétrica e tensão de ruptura

A capacidade de um material de resistir ao estresse elétrico sem quebrar e se tornar condutor é medida por sua rigidez dielétrica. Volts por centímetro são uma maneira comum de medi-lo.

A chance de falha nessa tensão é baixa o suficiente para que o isolamento possa ser feito com a suposição de que não quebrará nessa tensão.

Tensões de ruptura AC e tensões de ruptura de impulso são formas de medir a resistência dielétrica de um material.

A tensão CA é a frequência de linha da rede elétrica, enquanto a tensão de ruptura de impulso imita os relâmpagos.

Geralmente, a onda leva 1,2 microssegundos para subir para 90% de amplitude e, em seguida, 50 microssegundos para cair de volta para 50% de amplitude.

Conclusão

Em conclusão, a quebra de avalanche e a tensão podem parecer ideias complicadas que apenas especialistas podem entender, mas ambas são partes importantes da eletrônica moderna.

Ao saber como essas coisas funcionam e como podem ser usadas em dispositivos eletrônicos, os engenheiros podem criar projetos mais eficientes e exclusivos.

O estudo da voltagem e quebra de avalanche pode ser ainda mais importante porque mostra como a eletrônica pode ser poderosa e útil.

É fácil não dar valor às ferramentas e máquinas que usamos todos os dias, mas é incrível pensar nas incríveis forças que atuam dentro delas.

Portanto, enquanto você aprende sobre engenharia, não se esqueça de se surpreender com a inteligência e a criatividade que envolvem a tecnologia que usamos todos os dias.

Quem pode dizer? Talvez você seja o único a encontrar a próxima grande coisa em quebra de avalanche ou tensão, o que levará a coisas ainda maiores no futuro.