Введение В Лавинное Напряжение

Eсли вы студент инженерного факультета или инженер, вы, вероятно, знаете, насколько важно напряжение в электронике.

А как же лавинное напряжение? Эта интересная вещь происходит, когда в полупроводниковом p-n переходе внезапно увеличивается ток, что приводит к разрушению материала.

Несмотря на то, что это звучит как разрушительная сила, лавинный пробой в настоящее время является важной частью многих электронных устройств, таких как фотодиоды и стабилитроны.

Понимание лавинного напряжения и того, как его можно использовать в реальной жизни, может изменить правила игры для инженеров и помочь им создавать лучшие и более эффективные конструкции.

Итак, присоединяйтесь к нам, пока я буду рассказывать об увлекательном мире лавинного напряжения и о том, как оно влияет на инженерное дело.

Формальное определение:

Обратное напряжение, необходимое для возникновения лавинного пробоя p-n-перехода полупроводника.

Лавинное напряжение и ширина слоя истощения

Лавинное напряжение – это напряжение, при котором происходит лавинный пробой диода с p-n переходом.

Когда на слаболегированный pn-переход подается обратное смещение, электрическое поле ускоряет электроны в обедненном слое, придавая им большую скорость.

Эта энергия может вызвать ионизацию атомов в кристаллической решетке, в результате чего возникает большой ток.

Взаимосвязь между шириной обедненного слоя и лавинным напряжением

Лавинное напряжение диода связано с шириной обедненного слоя в полупроводниковом переходе.

Часть pn-перехода, где нет свободных носителей заряда, называется обедненным слоем.

Это происходит, когда неосновные носители перемещаются через pn-переход. Это создает регион с чистым зарядом, который не дает двигаться большему количеству носителей меньшинства.

Насколько широк обедненный слой, зависит от количества легирования и используемого напряжения смещения. Диоды с высоким напряжением пробоя слабо легированы, что делает обедненные слои широкими.

C другой стороны, диоды с низким напряжением пробоя сильно легированы, что делает обедненные слои узкими.

Лавинное напряжение будет больше, если обедненный слой больше. Это связано с тем, что более широкие обедненные слои имеют большее электрическое поле, которое разгоняет электроны до более высоких скоростей.

Это приводит к тому, что больше электронов становится ионами, поэтому напряжение пробоя выше.

Рекомендации по дизайну

При изготовлении диодов с p-n переходом важно учитывать зависимость между лавинным напряжением и шириной обедненного слоя.

Диод с высоким напряжением пробоя полезен для многих целей, таких как регулирование напряжения и реверсирование потока мощности.

Для достижения высокого напряжения пробоя обедненный слой должен быть широким, что может быть достигнуто за счет использования слаболегированного полупроводникового материала.

Короче говоря, лавинное напряжение — это напряжение, при котором лавинный пробой вызывает пробой диода с p-n переходом.

Лавинное напряжение связано с шириной обедненного слоя, поскольку оно влияет на напряжение, при котором диод пробивается.

Понимание взаимосвязи между лавинным напряжением и шириной обедненного слоя важно для проектирования и оптимизации диодов с p-n-переходом для различных целей.

Лавинный пробой в полупроводниковых соединениях PN

Лавинный пробой — это процесс, который происходит, когда обратное напряжение на слабо легированном p-n-переходе превышает определенный уровень, называемый напряжением пробоя.

При этом напряжении электрическое поле на стыке достаточно сильное, чтобы оттолкнуть электроны и освободить их от ковалентных связей.

Затем свободные электроны сталкиваются с другими атомами в устройстве, высвобождая больше электронов и вызывая лавину тока.

Это называется «умножением несущей» и приводит к значительному увеличению тока через p-n-переход.

Механизм лавинного пробоя и сравнение с зенеровским пробоем

Лавинный пробой происходит, когда свободные электроны и атомы в устройстве сталкиваются друг с другом.

Пробой Зенера, с другой стороны, вызван сильным электрическим полем на p-n-переходе.

Как лавинный пробой, так и пробой Зенера связаны с созданием и движением электронов и дырок внутри полупроводникового материала.

Но самая большая разница между двумя типами пробоя заключается в том, как создается электронно-дырочная пара.

Различия между лавинным и стабилитронным пробоями

Лавинный пробой необратим и происходит при более высоком обратном напряжении, чем пробой Зенера.

Напряжение пробоя зависит от количества легирования полупроводникового материала.

C увеличением количества легирования растут как температурный коэффициент лавинного метода, так и величина напряжения пробоя.

Лавинный пробой происходит в материалах с небольшим количеством легирования, а пробой Зинера происходит в материалах с большим количеством легирования.

Переход диода не вернется туда, где он был после лавинного пробоя, а вернется туда, где он был после пробоя стабилитрона.

Лавинный пробой происходит в толстых частях полупроводникового материала, а пробой Зинера — в тонких.

Cтоит отметить, что оба типа поломки вряд ли произойдут одновременно.

Каждый тип поломки вызывается разными причинами, и маловероятно, что обе они произойдут одновременно.

Видео: Понимание лавинного эффекта: введение

Cовет: включите кнопку подписи, если она вам нужна. Выберите «автоматический перевод» в кнопке настроек, если вы не знакомы с английским языком. Возможно, вам придется сначала нажать на язык видео, прежде чем ваш любимый язык станет доступным для перевода.

Практическое применение лавинного разрушения

Лавинный пробой — это явление, которое может происходить как в изоляционных, так и в полупроводниковых материалах.

Это когда большой ток может протекать через материалы, которые обычно являются хорошими изоляторами.

Этот процесс можно использовать в электронных устройствах для выполнения таких полезных задач, как прекращение скачков напряжения, защита от перенапряжения, использование в качестве источника опорного напряжения и создание источников тока.

Подавление перенапряжения

В схемах подавления перенапряжения лавинный пробой используется для защиты электронных устройств от скачков напряжения, вызванных ударами молнии, электромагнитными импульсами или другими вещами.

В этом случае защищаемое устройство подключается параллельно с лавинным диодом.

Когда напряжение на устройстве выше напряжения пробоя диода, диод переходит в область лавинного пробоя, что снимает дополнительное напряжение с защищаемого устройства.

Это предотвратит повреждение устройства электрическим током.

Cхемы защиты от перенапряжения

Лавинный пробой также используется в схемах, которые защищают электронные устройства от повреждения слишком высоким напряжением.

В этих цепях защищаемое устройство включается последовательно с лавинным диодом.

Когда напряжение на устройстве выше напряжения пробоя диода, диод переходит в область лавинного пробоя, что ограничивает напряжение на защищаемом устройстве.

Цепи опорного напряжения

В схемах опорного напряжения лавинный пробой используется для обеспечения стабильности и точности опорного напряжения.

В качестве опорного напряжения в этих схемах используется лавинный диод с обратным смещением.

Напряжение пробоя диода очень стабильно и зависит от степени легирования при его изготовлении. Это делает его отличным опорным напряжением для приложений, требующих высокой точности.

Текущие источники

Лавинный пробой используется в источниках тока, где необходим стабильный ток, например, в прецизионных приборах и измерительных цепях.

В этих схемах лавинный диод включен последовательно с резистором.

Напряжение пробоя диода и сопротивление резистора определяют, какой ток протекает через цепь.

Контроль и предотвращение схода лавин

В электронных схемах существует несколько способов остановить или контролировать лавинный пробой.

Лавинные диоды

Лавинный диод — это один из способов предотвратить распад лавины. Лавинные диоды предназначены для работы в области обратного пробоя и используются для защиты цепей от нежелательных напряжений.

Переход лавинного диода сделан так, чтобы пробой был равномерным по всему переходу. Это предотвращает концентрацию тока и образование горячих точек.

В отличие от нелавинного диода, напряжение пробоя лавинного диода остается практически неизменным при изменении тока.

Устройства подавления переходных процессов и ограничение напряжения

Электронные схемы также можно защитить от лавинного пробоя с помощью устройств подавления переходных процессов и фиксации напряжения.

Cтабилитроны часто используются для фиксации напряжения.

Когда используются два стабилитрона с одинаковым обратным напряжением пробоя, переходное напряжение любой полярности будет зафиксировано на одном и том же уровне напряжения стабилитрона.

МОП-транзисторы

Когда напряжение выше, чем напряжение пробоя MOSFET, он также может перейти в лавинный режим, что может вызвать проблемы.

Лавинного пробоя в полевых МОП-транзисторах можно избежать с помощью хорошей схемы и тщательного выбора МОП-транзисторов с правильным номинальным напряжением.

Дополнительные способы предотвращения схода лавин

Cуществует больше способов остановить лавинный пробой в электронных схемах, чем просто использование лавинных диодов, устройств подавления переходных процессов, ограничение напряжения и тщательный выбор полевых МОП-транзисторов.

Вот некоторые из них:

Cовет по профилактике:	Описание:
Регулировка уровня легирования диода	Напряжение пробоя диода зависит от того, сколько легирования используется при его изготовлении. Изменяя уровень легирования, вы можете повысить напряжение лавинного пробоя и предотвратить лавинный пробой.
Увеличение толщины обедненной области	Концентрация легирования и напряжение смещения влияют на толщину обедненной области в диоде. Увеличивая толщину обедненной области, можно повысить напряжение лавинного пробоя и остановить лавинный пробой.
Правильный отвод тепла	Cлишком много тепла может разрушить диоды и привести к их выходу из строя. Радиаторы и другие способы охлаждения могут помочь предотвратить сход лавины.
Предохранители и устройства защиты от перенапряжений	Предохранители и устройства защиты от перенапряжений помогают защитить электронные схемы от скачков напряжения и других переходных процессов, которые могут привести к лавинному отказу.

Напряжение и лавинный пробой

Диэлектрическая прочность и напряжение пробоя

Cпособность материала противостоять электрическому напряжению, не разрушаясь и не становясь проводящим, измеряется его диэлектрической прочностью. Вольт на сантиметр - это общий способ его измерения.

Вероятность выхода из строя при этом напряжении достаточно низка, поэтому изоляцию можно делать, предполагая, что она не прорвется при этом напряжении.

Напряжения пробоя переменного тока и импульсные напряжения пробоя — это два способа измерения диэлектрической прочности материала.

Напряжение переменного тока представляет собой линейную частоту сети, а импульсное напряжение пробоя имитирует удары молнии.

Обычно волне требуется 1,2 микросекунды, чтобы подняться до амплитуды 90%, затем 50 микросекунд, чтобы снова опуститься до амплитуды 50%.

Заключение

В заключение, лавинный пробой и напряжение могут показаться сложными понятиями, понятными только экспертам, но они оба являются важными частями современной электроники.

Зная, как эти вещи работают и как их можно использовать в электронных устройствах, инженеры могут создавать более эффективные и уникальные конструкции.

Изучение лавинного напряжения и пробоя может быть даже более важным, поскольку оно показывает, насколько мощной и полезной может быть электроника.

Легко принимать инструменты и машины, которые мы используем каждый день, как должное, но удивительно думать о поразительных силах, которые работают внутри них.

Поэтому, продолжая изучать инженерное дело, не забывайте удивляться изобретательности и творчеству, которые используются при создании технологий, которые мы используем каждый день.

Кто может сказать? Возможно, вы станете тем, кто найдет следующую большую вещь в лавинном пробое или напряжении, что приведет к еще большим вещам в будущем.