Introduktion Till Lavinspänning

Om du är ingenjörsstudent eller ingenjör vet du förmodligen hur viktig spänning är inom elektronik.

Men hur är det med lavinspänningen? Denna intressanta sak händer när en pn-halvledarövergång har en plötslig ökning av strömmen, vilket gör att materialet går sönder.

Även om det låter som en destruktiv kraft är lavinnedbrytning nu en viktig del av många elektroniska enheter, som fotodioder och zenerdioder.

Att förstå lavinspänningen och hur den kan användas i verkligheten kan vara en spelomvandlare för ingenjörer och hjälpa dem att göra bättre och effektivare konstruktioner.

Så följ med oss ​​när jag pratar om lavinspänningens fascinerande värld och hur den påverkar teknikområdet.

Formell definition:

Den omvända spänningen som krävs för att orsaka lavinbrott i en pn-halvledarövergång.

Lavinspänning och utarmningsskiktets bredd

Lavinspänning är den spänning vid vilken lavinbrott sker i en pn-övergångsdiod.

När en omvänd förspänning sätts på en lätt dopad pn-övergång, påskyndar det elektriska fältet elektronerna i utarmningsskiktet, vilket ger dem mycket hastighet.

Denna energi kan orsaka jonisering av atomer i kristallgittret, vilket resulterar i ett stort strömflöde.

Samband mellan utarmningsskiktets bredd och lavinspänning

Lavinspänningen hos en diod är relaterad till bredden på utarmningsskiktet i en halvledarövergång.

Den del av pn-övergången där det inte finns några fria laddningsbärare kallas utarmningsskiktet.

Det görs när minoritetsbärare rör sig över pn-korsningen. Detta gör en region med en nettoavgift som stoppar fler minoritetsbärare från att flytta.

Hur brett utarmningsskiktet är beror på mängden dopning och förspänningen som används. Dioder med höga genomslagsspänningar är lätt dopade, vilket gör utarmningsskikt som är breda.

Dioder med låga genombrottsspänningar är däremot kraftigt dopade, vilket gör utarmningsskikt som är smala.

Lavinspänningen blir större om utarmningsskiktet är större. Detta beror på att bredare utarmningslager har ett större elektriskt fält, vilket påskyndar elektroner till högre hastigheter.

Detta gör att fler elektroner blir joner, så genomslagsspänningen är högre.

Designöverväganden

När man gör pn-övergångsdioder är det viktigt att tänka på förhållandet mellan lavinspänningen och utarmningsskiktets bredd.

En diod med hög genomslagsspänning är användbar för många saker, som att reglera spänning och vända strömflödet.

För att uppnå en hög genombrottsspänning måste utarmningsskiktet vara brett, vilket kan åstadkommas genom att använda lättdopat halvledarmaterial.

Kort sagt, lavinspänning är den spänning vid vilken lavinbrott får en pn-övergångsdiod att gå sönder.

Lavinspänningen är kopplad till utarmningsskiktets bredd eftersom den påverkar spänningen vid vilken dioden går sönder.

Att förstå sambandet mellan lavinspänningen och utarmningsskiktets bredd är viktigt för att designa och optimera pn-övergångsdioder för olika användningsområden.

Lavinavbrott i PN Semiconductor Junctions

Lavinnedbrytning är en process som sker när backspänningen över en lätt dopad pn-övergång är högre än en viss nivå, kallad genombrottsspänningen.

Vid denna spänning är det elektriska fältet vid korsningen tillräckligt starkt för att trycka på elektronerna och bryta dem från deras kovalenta bindningar.

De fria elektronerna träffar sedan andra atomer i enheten, frigör fler elektroner och orsakar en lavin av ström.

Detta kallas "bärvågsmultiplikation", och det gör att strömflödet genom pn-övergången ökar avsevärt.

Mekanism för lavinnedbrytning och jämförelse med Zenernedbrytning

Lavinnedbrytning sker när fria elektroner och atomer i enheten stöter på varandra.

Zenernedbrytning, å andra sidan, orsakas av ett starkt elektriskt fält över pn-övergången.

Både lavinnedbrytningen och Zenernedbrytningen involverar skapandet och rörelsen av elektroner och hål inuti halvledarmaterialet.

Men den största skillnaden mellan de två typerna av nedbrytning är hur elektron-hålsparet är gjort.

Skillnader mellan Avalanche och Zener Breakdowns

Lavinnedbrott är irreversibelt och sker vid en högre backspänning än Zener-nedbrott.

Genombrottsspänningen styrs av mängden dopning i halvledarmaterialet.

I takt med att mängden dopning ökar, går både lavinmetodens temperaturkoefficient och storleken på genombrottsspänningen upp.

Lavinnedbrytning sker i material med en liten mängd doping, medan Zener-nedbrytning sker i material med mycket doping.

Korsningen av en diod kommer inte att gå tillbaka till där den var efter ett lavinhaveri, men den kommer att gå tillbaka till där den var efter ett Zener-haveri.

Lavinavbrott sker i tjocka delar av halvledarmaterialet, medan Zeneravbrott sker i tunna delar.

Det är värt att notera att båda typerna av sammanbrott sannolikt inte kommer att inträffa samtidigt.

Varje typ av sammanbrott orsakas av olika saker, och det är osannolikt att båda kommer att hända samtidigt.

Video: Att förstå lavineffekten: en introduktion

Tips: Slå på bildtextknappen om du behöver den. Välj "automatisk översättning" i inställningsknappen om du inte är bekant med det engelska språket. Du kan behöva klicka på språket för videon först innan ditt favoritspråk blir tillgängligt för översättning.

Praktiska tillämpningar av lavinnedbrytning

Lavinhaveri är ett fenomen som kan inträffa i både isolerande och halvledande material.

Det är då en stor ström kan flyta genom material som normalt är bra isolatorer.

Processen kan användas i elektroniska enheter för att göra användbara saker som att stoppa överspänningar, skydda mot överspänning, använda som spänningsreferens och skapa strömkällor.

Överspänningsdämpning

I överspänningsskyddskretsar används lavinavbrott för att skydda elektroniska enheter från spänningsspikar orsakade av blixtnedslag, elektromagnetiska pulser eller andra saker.

I detta fall är enheten som ska skyddas parallellkopplad med en lavindiod.

När spänningen över enheten är högre än diodens genombrottsspänning går dioden in i lavinbrytningsområdet, vilket tar bort den extra spänningen från enheten som skyddas.

Detta förhindrar att strömstyrkan skadar enheten.

Överspänningsskyddskretsar

Lavinnedbrytning används också i kretsar som skyddar elektroniska enheter från att skadas av för hög spänning.

I dessa kretsar är enheten som ska skyddas seriekopplad med en lavindiod.

När spänningen över enheten är högre än diodens genombrottsspänning, går dioden in i lavinbrytningsområdet, vilket begränsar spänningen över enheten som skyddas.

Spänningsreferenskretsar

I spänningsreferenskretsar används lavinbrytning för att säkerställa att referensspänningen är stabil och exakt.

Som spänningsreferens används en lavindiod med en bakåtriktad förspänning i dessa kretsar.

Diodens genomslagsspänning är mycket stabil och beror på hur mycket dopning som görs när den görs. Detta gör den till en utmärkt referensspänning för applikationer som kräver hög noggrannhet.

Aktuella källor

Lavinavbrott används i strömkällor där en stabil ström behövs, till exempel i precisionsinstrumentering och mätkretsar.

I dessa kretsar är en lavindiod kopplad i serie med ett motstånd.

Diodens genomslagsspänning och resistorns värde bestämmer hur mycket ström som flyter genom kretsen.

Kontroll och förebyggande av lavinnedbrytning

I elektroniska kretsar finns det ett antal sätt att stoppa eller kontrollera lavinhaveri.

Lavindioder

En lavindiod är ett sätt att stoppa en lavin från att gå sönder. Lavindioder är gjorda för att fungera i omvänd nedbrytningsregion, och de används för att skydda kretsar från spänningar som inte är önskvärda.

Korsningen av en lavindiod är gjord för att bryta ner jämnt över hela korsningen. Detta förhindrar att strömmen koncentreras och att heta fläckar bildas.

Till skillnad från en lavindiod förblir genomslagsspänningen för en lavindiod nästan densamma när strömmen ändras.

Transientskyddsanordningar och spänningsklämning

Elektroniska kretsar kan också göras säkra från lavinhaveri med hjälp av transientskyddsanordningar och spänningsklämning.

Zenerdioder används ofta för att klämma spänning.

När två zenerdioder med samma omvända genombrottsspänning används, kommer en transientspänning av endera polariteten att klämmas fast vid samma zenerspänningsnivå.

MOSFET

När en spänning är högre än MOSFET:s genombrottsspänning kan den också gå in i ett lavinläge, vilket kan orsaka problem.

Lavinhaveri i MOSFET:er kan undvikas med bra kretsdesign och noggrant val av MOSFET:er med rätt spänningsklassificering.

Ytterligare sätt att förhindra lavinbrott

Det finns fler sätt att stoppa lavinavbrott i elektroniska kretsar än att bara använda lavindioder, transientskyddsanordningar, spänningsklämning och noggrant val av MOSFET:er.

Här är några av dem:

Förebyggande tips:	Beskrivning:
Justering av diodens dopingnivå	Genomslagsspänningen för en diod beror på hur mycket dopning som används när den görs. Genom att ändra nivån på doping kan du höja lavinbrytningsspänningen och stoppa lavinnedbrott.
Ökar tjockleken på utarmningsområdet	Dopningskoncentrationen och förspänningen påverkar tjockleken på utarmningsområdet i en diod. Genom att göra utarmningsområdet tjockare kan lavinbrytningsspänningen höjas och lavinnedbrytningen kan stoppas.
Korrekt värmeavledning	För mycket värme kan bryta ner dioder och få dem att misslyckas. Kylflänsar och andra sätt att kyla ner saker kan hjälpa till att förhindra att en lavin går sönder.
Säkringar och överspänningsskydd	Säkringar och överspänningsskydd hjälper till att skydda elektroniska kretsar från spänningsöverspänningar och andra övergående händelser som kan orsaka lavinfel.

Spänning och lavinavbrott

Dielektrisk styrka och genombrottsspänning

Förmågan hos ett material att motstå elektrisk stress utan att gå sönder och bli ledande mäts av dess dielektriska styrka. Volt per centimeter är ett vanligt sätt att mäta det.

Risken för fel vid denna spänning är tillräckligt låg för att isolering kan göras med antagandet att den inte går sönder vid denna spänning.

AC-genombrottsspänningar och impulsgenomslagsspänningar är båda sätten att mäta den dielektriska hållfastheten hos ett material.

Växelströmsspänningen är nätfrekvensen på nätet, medan impulsbrytningsspänningen imiterar blixtnedslag.

Det tar vanligtvis 1,2 mikrosekunder för vågen att stiga till 90 % amplitud, sedan 50 mikrosekunder att sjunka tillbaka till 50 % amplitud.

Slutsats

Sammanfattningsvis kan lavinbrott och spänning verka som komplicerade idéer som bara experter kan förstå, men de är båda viktiga delar av modern elektronik.

Genom att veta hur dessa saker fungerar och hur de kan användas i elektroniska enheter kan ingenjörer göra konstruktioner som är mer effektiva och unika.

Studiet av lavinspänning och haveri kan vara ännu viktigare eftersom det visar hur kraftfull och användbar elektronik kan vara.

Det är lätt att ta de verktyg och maskiner som vi använder varje dag för givet, men det är fantastiskt att tänka på de fantastiska krafter som verkar inuti dem.

Så när du fortsätter att lära dig om teknik, glöm inte att bli förvånad över den klurighet och kreativitet som ligger till grund för att göra den teknik vi använder varje dag.

Vem kan säga? Kanske blir du den som hittar nästa stora sak i lavinhaveri eller spänning, vilket kommer att leda till ännu större saker i framtiden.