Introducere În Tensiunea De Avalanșă

Dacă ești student la inginerie sau inginer, probabil știi cât de importantă este tensiunea în electronică.

Dar cum rămâne cu tensiunea de avalanșă? Acest lucru interesant se întâmplă atunci când o joncțiune semiconductoare pn are o creștere bruscă a curentului, ceea ce face ca materialul să se defecteze.

Chiar dacă sună ca o forță distructivă, defalcarea avalanșelor este acum o parte importantă a multor dispozitive electronice, cum ar fi fotodiodele și diodele Zener.

Înțelegerea tensiunii de avalanșă și a modului în care poate fi utilizată în viața reală poate schimba jocul pentru ingineri și îi poate ajuta să realizeze proiecte mai bune și mai eficiente.

Așadar, veniți cu noi în timp ce vorbesc despre lumea fascinantă a tensiunii de avalanșă și despre modul în care aceasta afectează domeniul ingineriei.

Definiție formală:

Tensiunea inversă necesară pentru a provoca defectarea avalanșei într-o joncțiune semiconductoare pn.

Tensiunea de avalanșă și lățimea stratului de epuizare

Tensiunea de avalanșă este tensiunea la care are loc defectarea avalanșei într-o diodă de joncțiune pn.

Când o polarizare inversă este pusă pe o joncțiune pn ușor dopată, câmpul electric accelerează electronii din stratul de epuizare, oferindu-le multă viteză.

Această energie poate provoca ionizarea atomilor din rețeaua cristalină, rezultând un flux mare de curent.

Relația dintre lățimea stratului de epuizare și tensiunea de avalanșă

Tensiunea de avalanșă a unei diode este legată de lățimea stratului de epuizare dintr-o joncțiune semiconductoare.

Partea joncțiunii pn unde nu există purtători de încărcare liberi se numește stratul de epuizare.

Se realizează atunci când transportatorii minoritari se deplasează peste joncțiunea pn. Acest lucru face ca o regiune să aibă o taxă netă care împiedică mai mulți transportatori minoritari să se deplaseze.

Cât de larg este stratul de epuizare depinde de cantitatea de dopaj și de tensiunea de polarizare utilizată. Diodele cu tensiuni mari de rupere sunt ușor dopate, ceea ce face straturi de epuizare largi.

Diodele cu tensiuni scăzute de avarie, pe de altă parte, sunt puternic dopate, ceea ce face ca straturi de epuizare să fie înguste.

Tensiunea de avalanșă va fi mai mare dacă stratul de epuizare este mai mare. Acest lucru se datorează faptului că straturile de epuizare mai largi au un câmp electric mai mare, care accelerează electronii la viteze mai mari.

Acest lucru face ca mai mulți electroni să devină ioni, astfel încât tensiunea de defalcare este mai mare.

Considerații de proiectare

Când faceți diode de joncțiune pn, este important să ne gândim la relația dintre tensiunea de avalanșă și lățimea stratului de epuizare.

O diodă cu o tensiune mare de avarie este utilă pentru multe lucruri, cum ar fi reglarea tensiunii și inversarea fluxului de putere.

Pentru a obține o tensiune mare de rupere, stratul de epuizare trebuie să fie larg, ceea ce poate fi realizat prin utilizarea materialului semiconductor ușor dopat.

Pe scurt, tensiunea de avalanșă este tensiunea la care defectarea avalanșei determină defectarea unei diode de joncțiune pn.

Tensiunea de avalanșă este legată de lățimea stratului de epuizare deoarece afectează tensiunea la care se defectează dioda.

Înțelegerea relației dintre tensiunea de avalanșă și lățimea stratului de epuizare este importantă pentru proiectarea și optimizarea diodelor de joncțiune pn pentru diferite utilizări.

Defectarea avalanșelor în joncțiunile PN Semiconductor

Defalcarea avalanșelor este un proces care are loc atunci când tensiunea inversă la o joncțiune pn ușor dopată este mai mare decât un anumit nivel, numit tensiune de defalcare.

La această tensiune, câmpul electric de la joncțiune este suficient de puternic pentru a împinge electronii și a-i elibera de legăturile lor covalente.

Electronii liberi lovesc apoi alți atomi din dispozitiv, eliberând mai mulți electroni și provocând o avalanșă de curent.

Aceasta se numește „multiplicare a purtătorului” și face ca fluxul de curent prin joncțiunea pn să crească semnificativ.

Mecanismul defalcării avalanșei și comparație cu defalcarea Zener

Defalcarea avalanșei are loc atunci când electronii liberi și atomii din dispozitiv se ciocnesc unul de altul.

Defalcarea Zenerului, pe de altă parte, este cauzată de un câmp electric puternic peste joncțiunea pn.

Atât defalcarea avalanșei, cât și defalcarea Zener implică crearea și mișcarea electronilor și a găurilor în interiorul materialului semiconductor.

Dar cea mai mare diferență dintre cele două tipuri de defalcare este modul în care se formează perechea electron-gaură.

Diferențele dintre Avalanche și Zener Breakdowns

Defectarea avalanșei este ireversibilă și are loc la o tensiune inversă mai mare decât avarierea Zener.

Tensiunea de defalcare este controlată de cantitatea de dopaj din materialul semiconductor.

Pe măsură ce cantitatea de dopaj crește, atât coeficientul de temperatură al metodei avalanșei, cât și dimensiunea tensiunii de defectare cresc.

Defalcarea avalanșelor are loc în materiale cu o cantitate mică de dopaj, în timp ce defalcarea Zener are loc în materialele cu mult dopaj.

Joncțiunea unei diode nu se va întoarce acolo unde a fost după o avalanșă, dar se va întoarce acolo unde a fost după o avarie Zener.

Defecțiunile de avalanșă au loc în părți groase ale materialului semiconductor, în timp ce defecțiunile Zener au loc în părțile subțiri.

Este demn de remarcat faptul că ambele tipuri de defecțiuni nu este probabil să se întâmple în același timp.

Fiecare tip de defecțiune este cauzat de lucruri diferite și este puțin probabil ca ambele să se întâmple în același timp.

Video: Înțelegerea efectului de avalanșă: o introducere

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.

Aplicații practice ale avalanșelor

Defalcarea avalanșelor este un fenomen care se poate întâmpla atât în ​​materialele izolante, cât și în cele semiconductoare.

Acesta este momentul în care un curent mare poate circula prin materiale care sunt în mod normal izolatori buni.

Procesul poate fi folosit în dispozitivele electronice pentru a face lucruri utile, cum ar fi oprirea supratensiunii, protejarea împotriva supratensiunii, utilizarea ca referință de tensiune și crearea surselor de curent.

Suprimarea supratensiunii

În circuitele de suprimare a supratensiunii, avalanșa este utilizată pentru a proteja dispozitivele electronice de vârfurile de tensiune cauzate de lovituri de fulgere, impulsuri electromagnetice sau alte lucruri.

În acest caz, dispozitivul de protejat este conectat în paralel cu o diodă de avalanșă.

Când tensiunea pe dispozitiv este mai mare decât tensiunea de defectare a diodei, dioda intră în regiunea de defalcare a avalanșei, ceea ce îndepărtează tensiunea suplimentară de la dispozitivul protejat.

Acest lucru împiedică creșterea energiei electrice să rănească dispozitivul.

Circuite de protecție la supratensiune

Defectarea avalanșelor este folosită și în circuitele care protejează dispozitivele electronice de a fi deteriorate de prea multă tensiune.

În aceste circuite, dispozitivul de protejat este conectat în serie cu o diodă de avalanșă.

Când tensiunea pe dispozitiv este mai mare decât tensiunea de rupere a diodei, dioda intră în regiunea de defalcare a avalanșei, ceea ce limitează tensiunea pe dispozitivul protejat.

Circuite de referință de tensiune

În circuitele de referință de tensiune, defalcarea de avalanșă este utilizată pentru a vă asigura că tensiunea de referință este stabilă și precisă.

Ca referință de tensiune, în aceste circuite este utilizată o diodă de avalanșă cu polarizare inversă.

Tensiunea de defalcare a diodei este foarte stabilă și depinde de cât de mult dopaj se face atunci când este făcută. Acest lucru îl face o tensiune de referință excelentă pentru aplicațiile care necesită o precizie ridicată.

Surse curente

Defalcarea avalanșelor este utilizată în sursele de curent în care este necesar un curent stabil, cum ar fi în instrumentele de precizie și în circuitele de măsurare.

În aceste circuite, o diodă de avalanșă este conectată în serie cu un rezistor.

Tensiunea de defalcare a diodei și valoarea rezistorului determină cât de mult curent trece prin circuit.

Controlul și prevenirea defecțiunii avalanșei

În circuitele electronice, există o serie de modalități de a opri sau controla defectarea avalanșelor.

Diode de avalanșă

O diodă de avalanșă este o modalitate de a opri destrămarea unei avalanșe. Diodele de avalanșă sunt făcute să funcționeze în regiunea de defecțiune inversă și sunt folosite pentru a proteja circuitele de tensiuni care nu sunt dorite.

Joncțiunea unei diode de avalanșă este făcută să se descompună uniform pe întreaga joncțiune. Acest lucru împiedică concentrarea curentului și formarea punctelor fierbinți.

Spre deosebire de o diodă non-avalanșă, tensiunea de defalcare a unei diode de avalanșă rămâne aproape aceeași pe măsură ce se modifică curentul.

Dispozitive de suprimare a tranzitorilor și de fixare a tensiunii

Circuitele electronice pot fi, de asemenea, protejate de defectarea avalanșelor cu ajutorul dispozitivelor de suprimare a tranzitorilor și a tensiunii de fixare.

Diodele Zener sunt adesea folosite pentru a fixa tensiunea.

Când sunt utilizate două diode Zener cu aceeași tensiune de defalcare inversă, o tensiune tranzitorie de ambele polarități va fi fixată la același nivel de tensiune Zener.

MOSFET-uri

Când o tensiune este mai mare decât tensiunea de defectare a MOSFET-ului, poate intra și într-un mod de avalanșă, ceea ce poate cauza probleme.

Defalcarea avalanșelor în MOSFET poate fi evitată cu un design bun al circuitului și alegerea atentă a MOSFET-urilor cu tensiunea nominală corectă.

Modalități suplimentare de a preveni defectarea avalanșelor

Există mai multe modalități de a opri defectarea avalanșelor în circuitele electronice decât doar utilizarea diodelor de avalanșă, dispozitive de suprimare a tranzitoriilor, strângerea tensiunii și alegerea atentă a MOSFET-urilor.

Aici sunt câțiva dintre ei:

Sfat de prevenire:	Descriere:
Reglarea nivelului de dopaj al diodei	Tensiunea de defalcare a unei diode depinde de cât de mult dopaj este utilizat atunci când este realizată. Prin schimbarea nivelului de dopaj, puteți crește tensiunea de defectare a avalanșei și puteți opri defectarea avalanșei.
Creșterea grosimii regiunii de epuizare	Concentrația de dopaj și tensiunea de polarizare afectează grosimea regiunii de epuizare dintr-o diodă. Făcând regiunea de epuizare mai groasă, tensiunea de spargere a avalanșei poate fi crescută și defalcarea avalanșei poate fi oprită.
Disiparea corectă a căldurii	Prea multă căldură poate descompune diodele și le poate cauza defectarea. Radiatoarele de căldură și alte modalități de a răci lucrurile pot ajuta la prevenirea spargerii unei avalanșe.
Siguranțe și dispozitive de protecție la supratensiune	Siguranțele și dispozitivele de protecție împotriva supratensiunii ajută la protejarea circuitelor electronice împotriva supratensiunii și a altor evenimente tranzitorii care pot cauza defecțiunile avalanșelor.

Defectarea tensiunii și a avalanșelor

Rezistența dielectrică și tensiunea de defalcare

Capacitatea unui material de a rezista la stresul electric fără a se rupe și a deveni conductiv este măsurată prin rezistența sa dielectrică. Volți pe centimetru sunt o modalitate obișnuită de măsurare.

Șansa de defecțiune la această tensiune este suficient de mică încât să se poată face izolarea presupunând că nu se va rupe la această tensiune.

Tensiunile de rupere de curent alternativ și tensiunile de defalcare de impuls sunt ambele modalități de măsurare a rezistenței dielectrice a unui material.

Tensiunea AC este frecvența de linie a rețelei, în timp ce tensiunea de defalcare a impulsului imită loviturile de fulger.

De obicei este nevoie de 1,2 microsecunde pentru a crește la 90% amplitudine, apoi 50 de microsecunde pentru a scădea înapoi la 50% amplitudine.

Concluzie

În concluzie, avalanșa și tensiunea pot părea idei complicate pe care doar experții le pot înțelege, dar ambele sunt părți importante ale electronicii moderne.

Știind cum funcționează aceste lucruri și cum pot fi utilizate în dispozitivele electronice, inginerii pot realiza proiecte mai eficiente și mai unice.

Studiul tensiunii și defecțiunii avalanșei poate fi și mai important, deoarece arată cât de puternică și utilă poate fi electronica.

Este ușor să luăm de la sine înțeles uneltele și mașinile pe care le folosim în fiecare zi, dar este uimitor să ne gândim la forțele uimitoare care lucrează în interiorul lor.

Așadar, pe măsură ce continuați să învățați despre inginerie, nu uitați să fiți uimiți de inteligența și creativitatea care contribuie la realizarea tehnologiei pe care o folosim în fiecare zi.

Cine poate spune? Poate că tu vei fi cel care va găsi următorul lucru important în avalanșa sau tensiunea, ceea ce va duce la lucruri și mai mari în viitor.