如果您是工科學生或工程師，您可能知道電壓在電子產品中的重要性。
但是雪崩電壓呢？當 pn 半導體結的電流突然增加導致材料擊穿時，就會發生這種有趣的事情。
儘管這聽起來像是一種破壞力，但雪崩擊穿現在已成為許多電子設備的重要組成部分，例如光電二極管和齊納二極管。
了解雪崩電壓以及如何在現實生活中使用它可以改變工程師的遊戲規則，並幫助他們做出更好、更高效的設計。
因此，在我談論雪崩電壓的迷人世界以及它如何影響工程領域時，請和我們一起來。
正式定義：
在 pn 半導體結中引起雪崩擊穿所需的反向電壓。
雪崩電壓和耗盡層寬度
雪崩電壓是pn結二極管發生雪崩擊穿時的電壓。
當在輕摻雜 pn 結上施加反向偏壓時，電場會加速耗盡層中的電子，從而使它們具有很大的速度。
這種能量會導致晶格中的原子電離，從而產生大電流。
耗盡層寬度與雪崩電壓的關係
二極管的雪崩電壓與半導體結中耗盡層的寬度有關。
pn 結中沒有自由載流子的部分稱為耗盡層。
它是在少數載流子穿過 pn 結時產生的。這使得一個區域具有阻止更多少數載流子移動的淨電荷。
耗盡層的寬度取決於摻雜量和使用的偏置電壓。具有高擊穿電壓的二極管是輕摻雜的，這使得耗盡層很寬。
另一方面，具有低擊穿電壓的二極管是重摻雜的，這使得耗盡層很窄。
耗盡層越大，雪崩電壓就越大。這是因為更寬的耗盡層具有更大的電場，從而使電子加速到更快的速度。
這導致更多的電子變成離子，因此擊穿電壓更高。
設計注意事項
在製作 pn 結二極管時，重要的是要考慮雪崩電壓與耗盡層寬度之間的關係。
具有高擊穿電壓的二極管可用於許多事情，例如調節電壓和反轉功率流。
要獲得高擊穿電壓，耗盡層必須很寬，這可以通過使用輕摻雜半導體材料來實現。
簡而言之，雪崩電壓是雪崩擊穿導致pn結二極管擊穿的電壓。
雪崩電壓與耗盡層的寬度有關，因為它會影響二極管擊穿的電壓。
了解雪崩電壓與耗盡層寬度之間的關係對於設計和優化不同用途的 pn 結二極管很重要。
PN 半導體結中的雪崩擊穿
雪崩擊穿是輕摻雜 pn 結兩端的反向電壓高於某一水平（稱為擊穿電壓）時發生的過程。
在這個電壓下，結處的電場足夠強，可以推動電子並使它們脫離共價鍵。
然後，自由電子撞擊設備中的其他原子，釋放更多電子並導致電流雪崩。
這稱為“載流子倍增”，它會導致流過 pn 結的電流顯著增加。
雪崩擊穿的機理及與齊納擊穿的比較
當器件中的自由電子和原子相互碰撞時，就會發生雪崩擊穿。
另一方面，齊納擊穿是由 pn 結上的強電場引起的。
雪崩擊穿和齊納擊穿都涉及半導體材料內部電子和空穴的產生和移動。
但這兩種擊穿的最大區別在於電子-空穴對的形成方式。
雪崩擊穿和齊納擊穿的區別
雪崩擊穿是不可逆的，發生在比齊納擊穿更高的反向電壓下。
擊穿電壓由半導體材料中的摻雜量控制。
隨著摻雜量的增加，雪崩法溫度係數和擊穿電壓的大小都會增加。
雪崩擊穿發生在少量摻雜的材料中，而齊納擊穿發生在大量摻雜的材料中。
二極管的結不會回到雪崩擊穿後的位置，但它會回到齊納擊穿後的位置。
雪崩擊穿發生在半導體材料的厚部分，而齊納擊穿發生在薄的部分。
值得注意的是，兩種類型的故障不太可能同時發生。
每種類型的故障都是由不同的原因引起的，兩者不太可能同時發生。
視頻：了解雪崩效應：簡介
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雪崩擊穿的實際應用
雪崩擊穿是一種在絕緣材料和半導體材料中都可能發生的現象。
這是當大電流可以流過通常是良好絕緣體的材料時。
該過程可用於電子設備中，以做一些有用的事情，例如停止浪湧、防止過壓、用作電壓參考和製作電流源。
浪湧抑制
在浪湧抑制電路中，雪崩擊穿用於保護電子設備免受雷擊、電磁脈衝或其他因素引起的電壓尖峰的影響。
在這種情況下，要保護的設備與雪崩二極管並聯。
當器件兩端的電壓高於二極管的擊穿電壓時，二極管進入雪崩擊穿區，從而將額外的電壓從受保護的器件上帶走。
這樣可以防止電湧損壞設備。
過電壓保護電路
雪崩擊穿還用於保護電子設備免受過高電壓損壞的電路中。
在這些電路中，要保護的設備與雪崩二極管串聯。
當器件兩端的電壓高於二極管的擊穿電壓時，二極管進入雪崩擊穿區，從而限制被保護器件兩端的電壓。
電壓參考電路
在電壓基準電路中，雪崩擊穿用於確保基準電壓的穩定和準確。
這些電路中使用具有反向偏置的雪崩二極管作為電壓基準。
二極管的擊穿電壓非常穩定，取決於製作時摻雜了多少。這使其成為需要高精度的應用的理想參考電壓。
當前資源
雪崩擊穿用於需要穩定電流的電流源，例如精密儀器和測量電路。
在這些電路中，雪崩二極管與電阻串聯。
二極管的擊穿電壓和電阻器的值決定了有多少電流流過電路。
雪崩擊穿的控制與預防
在電子電路中，有多種方法可以阻止或控制雪崩擊穿。
雪崩二極管
雪崩二極管是阻止雪崩破裂的一種方法。雪崩二極管用於在反向擊穿區域工作，它們用於保護電路免受不需要的電壓影響。
雪崩二極管的結在整個結上均勻擊穿。這可以防止電流集中和形成熱點。
與非雪崩二極管相比，雪崩二極管的擊穿電壓幾乎與電流變化相同。
瞬態抑制器件和電壓箝位
借助瞬態抑制裝置和電壓箝位，電子電路也可以避免雪崩擊穿。
齊納二極管通常用於箝位電壓。
當使用兩個具有相同反向擊穿電壓的齊納二極管時，任一極性的瞬態電壓將被箝位在相同的齊納電壓電平。
MOSFET
當電壓高於 MOSFET 的擊穿電壓時，它也會進入雪崩模式，這會導致問題。
通過良好的電路設計和謹慎選擇具有正確額定電壓的 MOSFET，可以避免 MOSFET 中的雪崩擊穿。
防止雪崩擊穿的其他方法
除了使用雪崩二極管、瞬變抑制器件、電壓箝位和謹慎選擇 MOSFET 之外，還有更多方法可以阻止電子電路中的雪崩擊穿。
這裡是其中的一些：
| 預防提示： | 描述： |
|---|---|
| 調整二極管的摻雜水平 | 二極管的擊穿電壓取決於製造時使用了多少摻雜。通過改變摻雜水平，可以提高雪崩擊穿電壓並阻止雪崩擊穿的發生。 |
| 增加耗盡區的厚度 | 摻雜濃度和偏置電壓會影響二極管中耗盡區的厚度。通過使耗盡區變厚，可以提高雪崩擊穿電壓並停止雪崩擊穿。 |
| 適當散熱 | 過多的熱量會擊穿二極管並導致它們失效。散熱器和其他降溫方法可以幫助防止雪崩崩潰。 |
| 保險絲和電湧保護器 | 保險絲和浪湧保護器有助於保護電子電路免受電壓浪湧和其他可能導致雪崩故障的瞬態事件的影響。 |
電壓和雪崩擊穿
介電強度和擊穿電壓
材料承受電應力而不擊穿和導電的能力通過其介電強度來衡量。伏特每厘米是一種常用的測量方法。
在此電壓下發生故障的可能性很低，因此可以假定絕緣不會在此電壓下斷裂。
交流擊穿電壓和脈衝擊穿電壓都是衡量材料介電強度的方法。
交流電壓是電源的線路頻率，而脈衝擊穿電壓模擬雷擊。
波通常需要 1.2 微秒才能上升到 90% 的振幅，然後需要 50 微秒才能回落到 50% 的振幅。
結論
總之，雪崩擊穿和電壓似乎是只有專家才能理解的複雜概念，但它們都是現代電子學的重要組成部分。
通過了解這些東西如何工作以及如何在電子設備中使用它們，工程師可以做出更高效、更獨特的設計。
雪崩電壓和擊穿的研究可能更為重要，因為它顯示了電子產品的強大和實用性。
我們很容易認為我們每天使用的工具和機器是理所當然的，但想想它們內部發揮作用的驚人力量就令人驚嘆。
因此，當您不斷學習工程學時，不要忘記驚嘆於製造我們每天使用的技術所蘊含的聰明才智和創造力。
誰能說？也許您會發現雪崩擊穿或電壓中的下一件大事，這將在未來導致更大的事情發生。
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