Înțelegerea Efectului De Avalanșă: O Introducere

Dacă ești student la inginerie sau inginer, probabil știi cât de important este să ai dispozitive electronice fiabile pentru o gamă largă de utilizări.

Dar te-ai gândit vreodată ce se întâmplă când câmpurile electrice puternice lovesc aceste dispozitive? Aici intervine efectul de avalanșă, iar înțelegerea lui este cheia pentru a vă asigura că sistemele electronice funcționează bine și sunt sigure.

În această postare pe blog, voi analiza efectul de avalanșă mai detaliat, inclusiv cauzele, efectele și utilizările sale în lumea reală.

Acesta este un subiect pe care nu vei dori să-l ratezi, indiferent dacă ești un inginer cu experiență sau abia la început. Așa că pune-ți centura și pregătește-te să explorezi lumea electrizantă a efectului de avalanșă!

Introducere în efectul de avalanșă

Definiție formală:

Procesul cumulativ în care un electron sau o altă particulă încărcată accelerată de un câmp electric puternic se ciocnește și ionizează moleculele de gaz, eliberând astfel noi electroni care, la rândul lor, au mai multe ciocniri, astfel încât descărcarea este astfel auto-menținută.

Efectul de avalanșă: o explicație generală

Efectul de avalanșă este un efect fizic de bază care se întâmplă în dispozitivele electronice atunci când un electron sau o altă particulă încărcată care a fost accelerată de un câmp electric puternic lovește moleculele de gaz și le ionizează.

Acest proces produce noi electroni, care apoi se ciocnesc cu mai mulți electroni, producând o descărcare care continuă să meargă de la sine.

Efectul de avalanșă este adesea folosit pentru a face dispozitive electronice, cum ar fi diode de avalanșă, detectoare de radiații și detectoare de particule.

Efectul de avalanșă într-o diodă

Efectul de avalanșă are loc într-o diodă atunci când se aplică o tensiune inversă mare peste joncțiune. Acest lucru creează un câmp electric puternic care accelerează electronii din apropierea joncțiunii.

Pe măsură ce acești electroni se mișcă prin joncțiune, se lovesc de atomi din rețeaua cristalină. Acest lucru face ca atomii să se ionizeze și să elibereze mai mulți electroni.

Acești noi electroni accelerează apoi și lovesc mai mulți atomi, creând o reacție în lanț de ionizare și un flux de curent care continuă de la sine.

Acest lucru se numește „efect de avalanșă” și se întâmplă atunci când diodele sunt făcute să funcționeze în „regiunea de defalcare inversă”.

Diode de avalanșă

O diodă de avalanșă este un tip de diodă semiconductoare care este făcută să se descompună într-o avalanșă la o anumită tensiune.

Joncțiunea pn a unei diode de avalanșă este făcută pentru a opri concentrarea curentului și punctele fierbinți care provin din aceasta, astfel încât efectul de avalanșă să nu afecteze dioda.

Dioda de avalanșă este realizată în același mod ca și dioda Zener și atât defalcarea Zener, cât și avalanșa se pot întâmpla în aceste diode.

Diodele de avalanșă sunt proiectate să funcționeze cel mai bine în condiții de avalanșă, astfel încât au o scădere mică, dar vizibilă a tensiunii atunci când se defectează.

Exemplu de efect de avalanșă într-o diodă

Utilizarea defectării avalanșei pentru a controla tensiunea dintr-un circuit este un exemplu de efect de avalanșă într-o diodă.

În acest caz, dioda este făcută să funcționeze în regiunea de defecțiune inversă, unde efectul de avalanșă poate oferi o cădere de tensiune stabilă și previzibilă.

Dioda poate fi folosită ca șunt pentru a proteja alte părți de supratensiune sau pentru a limita tensiunea pe o sarcină.

Efectul de avalanșă într-o diodă este o modalitate cheie de a controla tensiunea într-un mod foarte precis. Poate fi găsit într-o gamă largă de dispozitive electronice.

Video: Avalanche Breakdown și efectul Zener Breakdown explicat

Sfat: activați butonul de subtitrare dacă aveți nevoie de el. Alegeți „traducere automată” în butonul de setări, dacă nu sunteți familiarizat cu limba engleză. Poate fi necesar să faceți mai întâi clic pe limba videoclipului înainte ca limba preferată să devină disponibilă pentru traducere.

Importanța efectului de avalanșă în dispozitivele electronice

Efectul de avalanșă și efectul Zener sunt două tipuri de defecțiuni electrice care se pot întâmpla în diodele pn și alte dispozitive electronice.

Efectul de avalanșă este un fenomen fizic de bază care se întâmplă atunci când un electron sau o altă particulă încărcată care a fost accelerată de un câmp electric puternic se lovește de moleculele de gaz și le ionizează.

Acest proces produce noi electroni, care apoi se ciocnesc cu mai mulți electroni, producând o descărcare care continuă să meargă de la sine.

Efectul de avalanșă este adesea folosit pentru a face dispozitive electronice, cum ar fi diode de avalanșă, detectoare de radiații și detectoare de particule.

Efect Zener

Efectul Zener este un alt tip de defecțiune electrică care se poate întâmpla în electronică, în special în diodele pn care sunt polarizate în direcția opusă.

Atunci când câmpul electric permite electronii să se deplaseze din banda de valență în banda de conducție, acest efect are loc.

Această creare bruscă de purtători crește rapid curentul invers, ceea ce duce la conductanța cu pantă mare a diodei Zener.

Defalcarea avalanșei este diferită de efectul Zener.

În defalcarea avalanșelor, electronii purtători minoritari din regiunea de tranziție sunt accelerați de câmpul electric la viteze suficient de mari pentru a elibera perechile electron-gaură prin ciocnirea electronilor legați.

Diferența dintre defecțiunea Zener și avalanșa

Modul în care se întâmplă defalcarea Zener și avalanșa este principala diferență între cele două.

Defalcarea Zener are loc atunci când există câmpuri electrice puternice, în timp ce avalanșa are loc atunci când electronii și atomii liberi se lovesc reciproc.

Ambele probleme pot apărea în același timp.

Defectarea avalanșelor are loc mai des în diodele care sunt făcute să funcționeze în regiunea de defalcare inversă, în timp ce defalcarea Zener se întâmplă mai des în diodele care sunt ușor dopate și la tensiuni mai mici.

Importanța efectului de avalanșă în dispozitivele electronice

Efectul de avalanșă este o parte cheie a unor dispozitive electronice, cum ar fi diodele de avalanșă și diodele de înaltă tensiune, deoarece permite controlul cu mare precizie a tensiunilor din circuitele electrice.

Efectul de avalanșă poate fi utilizat pentru multe lucruri, cum ar fi reglarea tensiunii, protejarea împotriva supratensiunii și comutarea rapidă.

Diodele de avalanșă sunt adesea folosite pentru a proteja dispozitivele electronice de vârfurile de tensiune.

Diodele de înaltă tensiune utilizează efectul de avalanșă pentru a controla tensiunea în circuitele electrice într-un mod foarte precis.

Calculul și măsurarea efectului de avalanșă

Testarea efectului de avalanșă în dispozitivele electronice

Testul Unclamped Inductive Switching (UIS) este o modalitate de a testa dispozitivele electronice într-un mod indirect pentru efectul de avalanșă.

Testul UIS nu este un test direct pentru efectul de avalanșă. În schimb, verifică cât de bine poate gestiona un MOSFET vârfurile de înaltă tensiune și căderile bruște de tensiune.

În timpul testului UIS, comutatorul este pornit pentru a încărca inductorul la un anumit nivel. Comutatorul este apoi oprit pentru a permite efectul de avalanșă.

Câtă energie de avalanșă există depinde de dimensiunea și lungimea vârfului de tensiune pe care dispozitivul de siliciu îl prinde.

Evaluarea avalanșelor MOSFET ajută la verificarea cât de dur este un dispozitiv și filtrează MOSFET-urile care sunt mai slabe sau mai susceptibile de a se rupe.

Dar este important de reținut că efectul de avalanșă nu este întotdeauna un lucru bun în dispozitivele electronice, deoarece le poate determina să se defecteze și să eșueze într-un mod distructiv.

Din acest motiv, oamenii care proiectează circuite și realizează dispozitive trebuie să cântărească cu atenție beneficiile efectului de avalanșă față de riscurile de evenimente de supratensiune și alte condiții tranzitorii.

Diode de avalanșă

Diodele de avalanșă sunt un tip de diodă semiconductoare care sunt făcute să se descompună într-o avalanșă la o anumită tensiune.

Joncțiunea pn a unei diode de avalanșă este făcută pentru a opri concentrarea curentului și punctele fierbinți care provin din aceasta, astfel încât efectul de avalanșă să nu afecteze dioda.

Dioda de avalanșă este realizată în același mod ca și dioda Zener și atât defalcarea Zener, cât și avalanșa se pot întâmpla în aceste diode.

Diodele de avalanșă sunt proiectate să funcționeze cel mai bine în condiții de avalanșă, astfel încât au o scădere mică, dar vizibilă a tensiunii atunci când se defectează.

Diodele de avalanșă pot fi folosite pentru multe lucruri, cum ar fi reglarea tensiunii, protejarea împotriva supratensiunii și comutarea rapidă.

Efectul de avalanșă este folosit de diodele de înaltă tensiune pentru a controla tensiunea în circuitele electrice cu mare precizie.

Îmbunătățirea și promovarea efectului de avalanșă

În unele dispozitive electronice, efectul de avalanșă poate fi un lucru bun, deoarece îngreunează atacatorii să descopere textul simplu prin analize statistice.

Deci, există modalități de a face ca efectul de avalanșă să se întâmple mai des în circuite, cum ar fi:

Ridicarea tensiunii de polarizare deasupra defalcării

O modalitate de a face un circuit mai probabil să aibă un efect de avalanșă este creșterea tensiunii de polarizare deasupra defecțiunii.

Dar pentru a face acest lucru, aveți nevoie de un circuit care poate prelua pe marginea anterioară a curentului de avalanșă și poate face un impuls de ieșire standard care este temporizat odată cu acumularea avalanșei.

stingere activă

În acest caz, pornirea bruscă a curentului de avalanșă printr-un rezistor de 50 (sau un tranzistor integrat) este preluat de un discriminator rapid, care trimite un impuls digital de ieșire.

Optimizarea concentrațiilor de dopaj

Optimizarea concentrațiilor de dopaj a două straturi personalizate poate ajuta la obținerea unui câmp electric ridicat pentru multiplicarea prin avalanșă a electronilor formați de lumină.

Această metodă a fost folosită pentru a îmbunătăți eficiența cuantică a senzorilor de imagine. De asemenea, s-a spus că este folosit în SPAD-urile CMOS.

Structura propusă folosește, de asemenea, un strat p-epitaxial cu un profil de dopaj în gradient, ceea ce înseamnă că cantitatea de dopaj crește pe măsură ce intri mai adânc în strat.

Un astfel de profil de dopaj în gradient face PDE și mai bun, facilitând deplasarea electronilor foto-generați în sus și colectarea eficientă în direcția regiunii de multiplicare a avalanșei.

Avalanșa Townsend

Este important să ne amintim că avalanșa Townsend este pornită de un singur electron liber. Doar electronii liberi se pot mișca suficient într-un câmp electric pentru a începe acest proces.

Dacă te simți vreodată plictisit și cauți un pic de emoție

Te gândești să-ți creezi propriul efect de avalanșă acasă? Doar adunați un câmp electric puternic și câteva molecule de gaz și voila - aveți o descărcare auto-întreținută gata de plecare!

Glumesc, desigur.

Încercarea de a produce un efect de avalanșă în afara unui laborator controlat este periculoasă și nu este o idee bună.

Chiar dacă ideea unei descărcări autonome poate suna cool, poate avea efecte grave asupra sistemelor și dispozitivelor electronice.

Cazuri de utilizare

Folosit in:	Descriere:
Diode de avalanșă	Diodele de avalanșă sunt una dintre cele mai comune modalități de utilizare a efectului de avalanșă. Aceste diode speciale sunt făcute să funcționeze în regiunea în care are loc efectul de avalanșă, care este regiunea de defalcare inversă. Rezultatul este un flux de curent constant, autolimitat, care poate fi utilizat pentru o gamă largă de sarcini, cum ar fi reglarea tensiunii, protejarea împotriva supratensiunii și comutarea rapidă.
Detectarea radiațiilor	Detectarea radiațiilor este o altă utilizare importantă a efectului de avalanșă. Este folosit pentru a face detectoare pentru radiații. Tuburile Geiger-Müller, în special, sunt instrumente care folosesc efectul de avalanșă pentru a găsi și măsura radiațiile ionizante. Pe măsură ce particulele încărcate din radiație trec prin tub, ele ionizează moleculele de gaz, provocând un potop de electroni care pot fi văzuți și măsurați.
Reducerea zgomotului electronic	Efectul de avalanșă poate fi folosit și pentru a reduce zgomotul în anumite tipuri de circuite electronice. În special, atunci când o diodă de avalanșă este conectată în serie cu o sursă de zgomot, natura autolimitată a efectului de avalanșă poate ajuta la scăderea nivelului general de zgomot din sistem.
Fizica Energiei Înalte	În cele din urmă, efectul de avalanșă este o parte cheie a experimentelor de fizică de înaltă energie, unde poate fi folosit pentru a găsi și măsura prezența particulelor de înaltă energie. În special, detectoarele de particule precum Camera de proiecție a timpului folosesc efectul de avalanșă pentru a ioniza moleculele de gaz și pentru a face un semnal care poate fi folosit pentru a urmări mișcarea particulelor încărcate.

Concluzie

După cum am văzut în această postare, efectul de avalanșă este un fenomen interesant și complicat, care are o mulțime de efecte asupra dispozitivelor și sistemelor electronice.

Efectul de avalanșă ne poate învăța multe, de la cauzele sale de bază până la modurile în care poate fi folosit în lumea reală.

Dar, în afară de detaliile tehnice, efectul de avalanșă oferă o imagine unică a modului în care funcționează electricitatea și a modului în care particulele încărcate și moleculele de gaz interacționează.

Ne amintește de puterea și potențialul electricității, precum și de echilibrul delicat dintre energie și materie.

În calitate de ingineri și oameni de știință, este important să înțelegem nu numai aspectele tehnice ale efectului de avalanșă, ci și să apreciem uimirea și uimirea care vin odată cu explorarea misterelor lumii fizice.

Îmbrățișând un sentiment de curiozitate și uimire, putem găsi noi perspective și oportunități în munca noastră, împingând limitele a ceea ce este posibil și modelând lumea de mâine.

Așadar, lăsați efectul de avalanșă să fie o amintire a cât de puternice și utile pot fi știința și ingineria și un îndemn pentru a continua să explorați minunile naturii cu mintea deschisă și un sentiment nesfârșit de mirare.

Împreună, putem deschide noi domenii și putem face viitorul mai bun pentru toată lumea.