Giới Thiệu Về Điện Áp Tuyết Lở

Nếu bạn là sinh viên kỹ thuật hay kỹ sư, chắc hẳn bạn cũng biết điện áp quan trọng như thế nào trong điện tử.

Nhưng những gì về điện áp tuyết lở? Điều thú vị này xảy ra khi một mối nối bán dẫn pn bị dòng điện tăng đột ngột khiến vật liệu bị phá vỡ.

Mặc dù nghe có vẻ như là một sức mạnh hủy diệt, nhưng hiện nay sự cố tuyết lở là một phần quan trọng của nhiều thiết bị điện tử, chẳng hạn như đi-ốt quang và đi-ốt Zener.

Hiểu được điện áp tuyết lở và cách sử dụng nó trong đời thực có thể là yếu tố thay đổi cuộc chơi đối với các kỹ sư và giúp họ tạo ra các thiết kế tốt hơn, hiệu quả hơn.

Vì vậy, hãy đi cùng với chúng tôi khi tôi nói về thế giới hấp dẫn của điện áp tuyết lở và cách nó ảnh hưởng đến lĩnh vực kỹ thuật.

Định nghĩa chính thức:

Điện áp ngược cần thiết để gây ra sự cố tuyết lở trong mối nối bán dẫn pn.

Điện áp Avalanche và Chiều rộng lớp suy giảm

Điện áp tuyết lở là điện áp tại đó xảy ra hiện tượng đánh thủng tuyết lở trong điốt tiếp giáp pn.

Khi đặt một phân cực ngược lên một tiếp giáp pn được pha tạp nhẹ, điện trường sẽ tăng tốc cho các electron trong lớp cạn kiệt, mang lại cho chúng rất nhiều tốc độ.

Năng lượng này có thể gây ra sự ion hóa các nguyên tử trong mạng tinh thể, tạo ra dòng điện lớn.

Mối quan hệ giữa Độ rộng lớp cạn kiệt và Điện áp tuyết lở

Điện áp tuyết lở của đi-ốt có liên quan đến độ rộng của lớp suy giảm trong mối nối bán dẫn.

Phần của tiếp giáp pn không có hạt tải điện tự do nào được gọi là lớp cạn kiệt.

Nó được tạo ra khi các sóng mang thiểu số di chuyển qua tiếp giáp pn. Điều này tạo ra một vùng có điện tích ròng ngăn nhiều sóng mang thiểu số hơn di chuyển.

Độ rộng của lớp suy giảm phụ thuộc vào lượng pha tạp và điện áp phân cực được sử dụng. Điốt có điện áp đánh thủng cao được pha tạp nhẹ, làm cho các lớp suy giảm rộng.

Mặt khác, các điốt có điện áp đánh thủng thấp được pha tạp nhiều, làm cho các lớp suy giảm hẹp lại.

Điện áp tuyết lở sẽ lớn hơn nếu lớp suy giảm lớn hơn. Điều này là do các lớp cạn kiệt rộng hơn có điện trường lớn hơn, giúp tăng tốc các electron lên tốc độ nhanh hơn.

Điều này làm cho nhiều electron trở thành ion hơn, do đó điện áp đánh thủng cao hơn.

cân nhắc thiết kế

Khi chế tạo điốt tiếp giáp pn, điều quan trọng là phải nghĩ đến mối quan hệ giữa điện áp tuyết lở và độ rộng của lớp suy giảm.

Đi-ốt có điện áp đánh thủng cao rất hữu ích cho nhiều việc, chẳng hạn như điều chỉnh điện áp và đảo ngược dòng điện.

Để đạt được điện áp đánh thủng cao, lớp suy giảm phải rộng, điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng vật liệu bán dẫn pha tạp nhẹ.

Nói tóm lại, điện áp tuyết lở là điện áp tại đó sự cố tuyết lở làm cho điốt tiếp giáp pn bị hỏng.

Điện áp tuyết lở được liên kết với chiều rộng của lớp cạn kiệt vì nó ảnh hưởng đến điện áp mà điốt bị hỏng.

Hiểu được mối quan hệ giữa điện áp tuyết lở và độ rộng của lớp suy giảm là rất quan trọng để thiết kế và tối ưu hóa điốt tiếp giáp pn cho các mục đích sử dụng khác nhau.

Sự cố tuyết lở tại các mối nối bán dẫn PN

Sự cố lở tuyết là một quá trình xảy ra khi điện áp ngược trên một điểm nối pn pha tạp nhẹ cao hơn một mức nhất định, được gọi là điện áp đánh thủng.

Ở điện áp này, điện trường tại điểm nối đủ mạnh để đẩy các electron và phá vỡ chúng khỏi liên kết cộng hóa trị.

Sau đó, các electron tự do va chạm với các nguyên tử khác trong thiết bị, giải phóng nhiều electron hơn và gây ra dòng điện lớn.

Điều này được gọi là "nhân sóng mang" và nó làm cho dòng điện qua tiếp giáp pn tăng lên đáng kể.

Cơ chế của sự cố tuyết lở và so sánh với sự cố Zener

Sự cố tuyết lở xảy ra khi các electron tự do và nguyên tử trong thiết bị va vào nhau.

Mặt khác, sự cố Zener được gây ra bởi một điện trường mạnh trên đường giao nhau pn.

Cả sự cố tuyết lở và sự cố Zener đều liên quan đến việc tạo ra và chuyển động của các electron và lỗ trống bên trong vật liệu bán dẫn.

Nhưng sự khác biệt lớn nhất giữa hai loại sự cố là cách thức tạo ra cặp electron-lỗ trống.

Sự khác biệt giữa sự cố Avalanche và Zener

Sự cố tuyết lở là không thể đảo ngược và xảy ra ở điện áp ngược cao hơn so với sự cố Zener.

Điện áp đánh thủng được kiểm soát bởi lượng pha tạp trong vật liệu bán dẫn.

Khi lượng pha tạp tăng lên, cả hệ số nhiệt độ của phương pháp tuyết lở và kích thước của điện áp đánh thủng đều tăng lên.

Sự cố tuyết lở xảy ra ở các vật liệu có một lượng nhỏ pha tạp, trong khi sự cố Zener xảy ra ở các vật liệu có nhiều pha tạp.

Điểm nối của một đi-ốt sẽ không quay trở lại vị trí ban đầu sau khi xảy ra sự cố tuyết lở, nhưng nó sẽ quay trở lại vị trí ban đầu sau khi xảy ra sự cố Zener.

Sự cố lở tuyết xảy ra ở các phần dày của vật liệu bán dẫn, trong khi sự cố Zener xảy ra ở các phần mỏng.

Điều đáng chú ý là cả hai loại sự cố đều không có khả năng xảy ra cùng một lúc.

Mỗi loại sự cố được gây ra bởi những thứ khác nhau và không chắc là cả hai sẽ xảy ra cùng một lúc.

Video: Hiểu về hiệu ứng tuyết lở: giới thiệu

Mẹo: Bật nút phụ đề nếu bạn cần. Chọn “dịch tự động” trong nút cài đặt, nếu bạn không quen với ngôn ngữ tiếng Anh. Bạn có thể cần nhấp vào ngôn ngữ của video trước khi ngôn ngữ yêu thích của bạn có sẵn để dịch.

Các ứng dụng thực tế của sự cố lở tuyết

Sự cố lở tuyết là một hiện tượng có thể xảy ra ở cả vật liệu cách điện và bán dẫn.

Đây là khi một dòng điện lớn có thể chạy qua các vật liệu thường là chất cách điện tốt.

Quá trình này có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử để thực hiện những việc hữu ích như dừng đột biến, bảo vệ chống quá điện áp, sử dụng làm tham chiếu điện áp và tạo nguồn dòng điện.

Tăng áp

Trong các mạch triệt tiêu đột biến, sự cố tuyết lở được sử dụng để bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi các xung điện áp do sét đánh, xung điện từ hoặc những thứ khác gây ra.

Trong trường hợp này, thiết bị được bảo vệ được kết nối song song với một diode tuyết lở.

Khi điện áp trên thiết bị cao hơn điện áp đánh thủng của đi-ốt, đi-ốt sẽ đi vào vùng đánh thủng tuyết lở, vùng này sẽ lấy điện áp phụ ra khỏi thiết bị đang được bảo vệ.

Điều này giữ cho dòng điện không làm hỏng thiết bị.

Mạch bảo vệ quá áp

Sự cố tuyết lở cũng được sử dụng trong các mạch bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi bị hư hỏng do quá nhiều điện áp.

Trong các mạch này, thiết bị cần bảo vệ được mắc nối tiếp với một đi-ốt tuyết lở.

Khi điện áp trên thiết bị cao hơn điện áp đánh thủng của đi-ốt, đi-ốt sẽ đi vào vùng đánh thủng tuyết lở, giới hạn điện áp trên thiết bị được bảo vệ.

Mạch tham chiếu điện áp

Trong các mạch tham chiếu điện áp, sự cố tuyết lở được sử dụng để đảm bảo rằng điện áp tham chiếu ổn định và chính xác.

Là một tham chiếu điện áp, một đi-ốt tuyết lở có phân cực ngược được sử dụng trong các mạch này.

Điện áp đánh thủng của diode rất ổn định và phụ thuộc vào mức độ pha tạp khi nó được tạo ra. Điều này làm cho nó trở thành một điện áp tham chiếu tuyệt vời cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao.

Nguồn hiện tại

Sự cố tuyết lở được sử dụng trong các nguồn hiện tại cần dòng điện ổn định, chẳng hạn như trong các mạch đo lường và thiết bị chính xác.

Trong các mạch này, một diode tuyết lở được mắc nối tiếp với một điện trở.

Điện áp đánh thủng của diode và giá trị của điện trở xác định dòng điện chạy qua mạch.

Kiểm soát và ngăn ngừa sự cố lở tuyết

Trong các mạch điện tử, có một số cách để ngăn chặn hoặc kiểm soát sự cố tuyết lở.

Điốt tuyết lở

Đi-ốt tuyết lở là một cách để ngăn tuyết lở vỡ ra. Điốt tuyết lở được tạo ra để hoạt động trong vùng đánh thủng ngược và chúng được sử dụng để bảo vệ các mạch khỏi điện áp không mong muốn.

Điểm nối của một diode tuyết lở được tạo ra để phá vỡ đồng đều trên toàn bộ điểm nối. Điều này giúp dòng điện không bị tập trung và không hình thành các điểm nóng.

Trái ngược với đi-ốt không có tuyết lở, điện áp đánh thủng của đi-ốt có tuyết lở hầu như không thay đổi khi dòng điện thay đổi.

Thiết bị triệt tiêu thoáng qua và kẹp điện áp

Các mạch điện tử cũng có thể được đảm bảo an toàn khỏi sự cố tuyết lở với sự trợ giúp của các thiết bị triệt tiêu tạm thời và kẹp điện áp.

Điốt Zener thường được sử dụng để kẹp điện áp.

Khi sử dụng hai điốt zener có cùng điện áp đánh thủng ngược, điện áp thoáng qua của một trong hai cực sẽ được kẹp ở cùng một mức điện áp zener.

MOSFET

Khi điện áp cao hơn điện áp đánh thủng của MOSFET, nó cũng có thể chuyển sang chế độ tuyết lở, điều này có thể gây ra sự cố.

Có thể tránh được sự cố lở tuyết trong MOSFET bằng thiết kế mạch tốt và lựa chọn cẩn thận MOSFET có định mức điện áp phù hợp.

Các cách bổ sung để ngăn chặn sự cố lở tuyết

Có nhiều cách để ngăn chặn sự cố tuyết lở trong các mạch điện tử hơn là chỉ sử dụng điốt tuyết lở, thiết bị triệt tiêu tạm thời, kẹp điện áp và lựa chọn cẩn thận MOSFET.

Dưới đây là một số trong số họ:

Mẹo phòng ngừa:	Sự miêu tả:
Điều chỉnh mức pha tạp của diode	Điện áp đánh thủng của diode phụ thuộc vào mức độ pha tạp được sử dụng khi chế tạo nó. Bằng cách thay đổi mức độ pha tạp, bạn có thể tăng điện áp đánh thủng tuyết lở và ngăn sự cố đánh rơi tuyết lở xảy ra.
Tăng độ dày của vùng cạn kiệt	Nồng độ pha tạp và điện áp phân cực ảnh hưởng đến độ dày của vùng suy giảm trong điốt. Bằng cách làm cho vùng cạn kiệt dày hơn, điện áp đánh thủng tuyết lở có thể được tăng lên và có thể dừng sự cố đánh thủng tuyết lở.
Tản nhiệt thích hợp	Quá nhiều nhiệt có thể phá vỡ các điốt và khiến chúng bị hỏng. Tản nhiệt và các cách khác để làm mát mọi thứ có thể giúp giữ cho tuyết lở không bị vỡ.
Cầu chì và thiết bị chống sét lan truyền	Cầu chì và thiết bị chống sét lan truyền giúp bảo vệ các mạch điện tử khỏi điện áp tăng vọt và các sự kiện thoáng qua khác có thể gây ra lỗi tuyết lở.

Sự cố điện áp và tuyết lở

Độ bền điện môi và điện áp đánh thủng

Khả năng của vật liệu chịu được ứng suất điện mà không bị phá vỡ và trở nên dẫn điện được đo bằng độ bền điện môi của nó. Vôn trên centimet là một cách phổ biến để đo nó.

Khả năng hỏng hóc ở điện áp này đủ thấp để có thể tạo ra lớp cách điện với giả định rằng nó sẽ không bị đứt ở điện áp này.

Điện áp đánh thủng AC và điện áp đánh thủng xung đều là hai cách để đo độ bền điện môi của vật liệu.

Điện áp xoay chiều là tần số đường dây của nguồn điện lưới, trong khi điện áp đánh thủng xung bắt chước sét đánh.

Sóng thường mất 1,2 micro giây để tăng lên 90% biên độ, sau đó 50 micro giây để giảm xuống 50% biên độ.

Phần kết luận

Tóm lại, sự cố tuyết lở và điện áp có vẻ như là những ý tưởng phức tạp mà chỉ các chuyên gia mới có thể hiểu được, nhưng cả hai đều là những phần quan trọng của thiết bị điện tử hiện đại.

Khi biết cách thức hoạt động của những thứ này và cách chúng có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử, các kỹ sư có thể tạo ra các thiết kế hiệu quả và độc đáo hơn.

Nghiên cứu về điện áp tuyết lở và sự cố có thể còn quan trọng hơn vì nó cho thấy điện tử có thể mạnh mẽ và hữu ích như thế nào.

Thật dễ dàng để coi các công cụ và máy móc mà chúng ta sử dụng hàng ngày là điều hiển nhiên, nhưng thật đáng kinh ngạc khi nghĩ về những sức mạnh kỳ diệu đang hoạt động bên trong chúng.

Vì vậy, khi bạn tiếp tục tìm hiểu về kỹ thuật, đừng quên ngạc nhiên trước sự thông minh và sáng tạo trong việc tạo ra công nghệ mà chúng ta sử dụng hàng ngày.

Ai có thể nói? Có thể bạn sẽ là người tìm ra điều quan trọng tiếp theo trong sự cố điện áp hoặc sự cố tuyết lở, điều này sẽ dẫn đến những điều thậm chí còn lớn hơn trong tương lai.