Ако сте студент по инженерство или инженер, вероятно знаете колко важно е напрежението в електрониката.
Но какво ще кажете за лавинното напрежение? Това интересно нещо се случва, когато pn полупроводников преход има внезапно увеличение на тока, което кара материала да се разпадне.
Въпреки че звучи като разрушителна сила, лавинообразният срив вече е важна част от много електронни устройства, като фотодиоди и ценерови диоди.
Разбирането на лавинното напрежение и как може да се използва в реалния живот може да промени играта за инженерите и да им помогне да създават по-добри и по-ефективни проекти.
И така, елате с нас, докато говоря за очарователния свят на лавинното напрежение и как то влияе на областта на инженерството.
Официална дефиниция:
Обратното напрежение, необходимо за предизвикване на лавинообразен срив в pn полупроводников преход.
Лавинно напрежение и ширина на слоя на изчерпване
Лавинно напрежение е напрежението, при което се случва лавинообразен пробив в диод с pn преход.
Когато се постави обратно отклонение върху леко легиран pn преход, електрическото поле ускорява електроните в изчерпания слой, като им дава голяма скорост.
Тази енергия може да причини йонизация на атомите в кристалната решетка, което води до голям поток на ток.
Връзка между ширината на слоя на изчерпване и лавинното напрежение
Лавинното напрежение на диода е свързано с ширината на обеднения слой в полупроводниковия преход.
Частта от pn прехода, където няма свободни носители на заряд, се нарича изчерпващ слой.
Това се прави, когато миноритарните носители се движат през pn прехода. Това прави регион с нетна такса, която спира повече малцинствени превозвачи да се движат.
Колко широк е изчерпващият слой зависи от количеството допинг и използваното преднапрежение. Диодите с високо напрежение на пробив са леко легирани, което прави слоевете на изчерпване широки.
Диодите с ниско напрежение на пробив, от друга страна, са силно легирани, което прави слоевете на изчерпване тесни.
Лавинното напрежение ще бъде по-голямо, ако обедненият слой е по-голям. Това е така, защото по-широките слоеве на изчерпване имат по-голямо електрическо поле, което ускорява електроните до по-високи скорости.
Това кара повече електрони да се превърнат в йони, така че пробивното напрежение е по-високо.
Съображения за проектиране
Когато правите диоди с pn преход, е важно да мислите за връзката между лавинообразното напрежение и ширината на изчерпания слой.
Диод с високо напрежение на пробив е полезен за много неща, като регулиране на напрежението и обръщане на потока на мощността.
За да се постигне високо напрежение на пробив, изчерпващият слой трябва да е широк, което може да се постигне чрез използване на леко легиран полупроводников материал.
Накратко, лавинообразното напрежение е напрежението, при което лавинообразният пробив причинява разрушаване на pn преходния диод.
Лавинното напрежение е свързано с ширината на изчерпания слой, тъй като то влияе върху напрежението, при което диодът се разпада.
Разбирането на връзката между напрежението на лавината и ширината на слоя на изчерпване е важно за проектирането и оптимизирането на pn преходни диоди за различни приложения.
Лавинен пробив в PN полупроводникови съединения
Лавинно разрушаване е процес, който се случва, когато обратното напрежение в леко легиран pn преход е по-високо от определено ниво, наречено напрежение на пробив.
При това напрежение електрическото поле на кръстовището е достатъчно силно, за да притисне електроните и да ги освободи от техните ковалентни връзки.
След това свободните електрони удрят други атоми в устройството, освобождавайки повече електрони и предизвиквайки лавина от ток.
Това се нарича "умножаване на носители" и кара потока на ток през pn прехода да се увеличи значително.
Механизъм на лавинен пробив и сравнение с ценеров пробив
Лавинен срив се случва, когато свободните електрони и атоми в устройството се блъскат един в друг.
Пробивът на Zener, от друга страна, се причинява от силно електрическо поле през pn прехода.
Както лавинообразният разпад, така и разбивката на Zener включват създаването и движението на електрони и дупки вътре в полупроводниковия материал.
Но най-голямата разлика между двата вида разпадане е как се прави двойката електрон-дупка.
Разлики между Avalanche и Zener Breakdowns
Лавинният срив е необратим и се случва при по-високо обратно напрежение от срива на Zener.
Пробивното напрежение се контролира от количеството допинг в полупроводниковия материал.
Тъй като количеството на допинга се увеличава, както температурният коефициент на лавинния метод, така и размерът на пробивното напрежение се увеличават.
Лавинно разрушаване се случва в материали с малко количество допинг, докато разрушаване на Zener се случва в материали с много допинг.
Преходът на диода няма да се върне там, където е бил след лавинообразен срив, но ще се върне там, където е бил след срив на Zener.
Лавинни повреди се случват в дебели части от полупроводниковия материал, докато ценерови повреди се случват в тънки части.
Струва си да се отбележи, че няма вероятност и двата вида повреда да се случат едновременно.
Всеки тип повреда се причинява от различни неща и е малко вероятно и двете да се случат едновременно.
Видео: Разбиране на ефекта на лавината: въведение
Съвет: Включете бутона за надписи, ако имате нужда от него. Изберете „автоматичен превод“ в бутона за настройки, ако не сте запознати с английския език. Може да се наложи първо да щракнете върху езика на видеоклипа, преди любимият ви език да стане достъпен за превод.
Практически приложения на лавинен срив
Лавинният срив е явление, което може да се случи както в изолационни, така и в полупроводникови материали.
Това е, когато голям ток може да тече през материали, които обикновено са добри изолатори.
Процесът може да се използва в електронни устройства за извършване на полезни неща като спиране на пренапрежения, защита срещу пренапрежение, използване като референтно напрежение и създаване на източници на ток.
Потискане на пренапрежението
Във веригите за потискане на пренапрежението лавинообразното разрушаване се използва за защита на електронните устройства от пикове на напрежението, причинени от удари на мълния, електромагнитни импулси или други неща.
В този случай устройството, което трябва да бъде защитено, е свързано паралелно с лавинен диод.
Когато напрежението в устройството е по-високо от напрежението на пробив на диода, диодът преминава в зоната на пробив на лавина, което отнема допълнителното напрежение от защитеното устройство.
Това предпазва притока на електричество от нараняване на устройството.
Вериги за защита от пренапрежение
Лавинното разрушаване се използва и във вериги, които предпазват електронните устройства от повреда от твърде голямо напрежение.
В тези схеми устройството, което трябва да бъде защитено, е свързано последователно с лавинен диод.
Когато напрежението в устройството е по-високо от напрежението на пробив на диода, диодът преминава в зоната на пробив на лавина, което ограничава напрежението в защитеното устройство.
Еталонни вериги за напрежение
В вериги за референтно напрежение се използва лавинообразно прекъсване, за да се гарантира, че референтното напрежение е стабилно и точно.
Като референтно напрежение в тези вериги се използва лавинен диод с обратно отклонение.
Пробивното напрежение на диода е много стабилно и зависи от това колко допинг се прави, когато се прави. Това го прави чудесно референтно напрежение за приложения, които изискват висока точност.
Текущи източници
Лавинното разрушаване се използва в източници на ток, където е необходим стабилен ток, като например в прецизни инструменти и измервателни вериги.
В тези схеми лавинен диод е свързан последователно с резистор.
Пробивното напрежение на диода и стойността на резистора определят колко ток протича през веригата.
Контрол и предотвратяване на лавинни аварии
В електронните схеми има редица начини за спиране или контролиране на лавинообразния срив.
Лавинни диоди
Лавинен диод е един от начините да спрете разпадането на лавина. Лавинните диоди са направени да работят в обратната област на разрушаване и се използват за защита на вериги от напрежения, които не са желани.
Преходът на лавинния диод е направен така, че да се разпада равномерно по целия преход. Това предпазва тока от концентриране и образуването на горещи точки.
За разлика от нелавинния диод, пробивното напрежение на лавинния диод остава почти същото като тока се променя.
Устройства за потискане на преходни процеси и затягане на напрежението
Електронните вериги също могат да бъдат направени безопасни от лавинообразен срив с помощта на устройства за потискане на преходни процеси и затягане на напрежението.
Ценеровите диоди често се използват за ограничаване на напрежението.
Когато се използват два ценерови диода с едно и също обратно напрежение на пробив, преходно напрежение от всяка полярност ще бъде ограничено при същото ниво на ценерово напрежение.
MOSFET транзистори
Когато напрежението е по-високо от напрежението на пробив на MOSFET, той също може да премине в лавинообразен режим, което може да причини проблеми.
Лавинен срив в MOSFETs може да бъде избегнат с добър дизайн на веригата и внимателен избор на MOSFETs с правилното напрежение.
Допълнителни начини за предотвратяване на лавинен срив
Има повече начини за спиране на лавинообразния срив в електронните вериги, отколкото просто използването на лавинообразни диоди, устройства за потискане на преходни процеси, затягане на напрежението и внимателен избор на MOSFETs.
Ето някои от тях:
| Съвет за превенция: | Описание: |
|---|---|
| Регулиране на нивото на допинг на диода | Пробивното напрежение на диода зависи от това колко допинг е използван, когато е направен. Като промените нивото на допинг, можете да повишите напрежението на лавинообразен пробив и да спрете настъпването на лавинообразен пробив. |
| Увеличаване на дебелината на зоната на изчерпване | Концентрацията на допинг и напрежението на отклонение влияят върху дебелината на зоната на изчерпване в диода. Чрез удебеляване на зоната на изчерпване може да се повиши лавинообразното пробивно напрежение и да се спре лавинообразният пробив. |
| Правилно разсейване на топлината | Твърде много топлина може да повреди диодите и да доведе до повреда. Радиатори и други начини за охлаждане на нещата могат да помогнат за предпазване на лавината от разрушаване. |
| Предпазители и предпазители от пренапрежение | Предпазителите и предпазителите от пренапрежение помагат за защита на електронните вериги от пренапрежения на напрежението и други преходни събития, които могат да причинят лавинообразна повреда. |
Напрежение и лавинен пробив
Диелектрична якост и пробивно напрежение
Способността на даден материал да издържа на електрическо напрежение, без да се разпадне и да стане проводим, се измерва чрез неговата диелектрична якост. Волтовете на сантиметър са често срещан начин за измерване.
Вероятността от повреда при това напрежение е достатъчно ниска, за да може да се направи изолация с предположението, че няма да се счупи при това напрежение.
AC пробивните напрежения и импулсните пробивни напрежения са двата начина за измерване на диелектричната якост на материала.
AC напрежението е линейната честота на мрежата, докато импулсното пробивно напрежение имитира удари на мълния.
Обикновено вълната отнема 1,2 микросекунди, за да се повиши до 90% амплитуда, след това 50 микросекунди, за да спадне обратно до 50% амплитуда.
Заключение
В заключение, лавинообразният срив и напрежението може да изглеждат като сложни идеи, които само експерти могат да разберат, но и двете са важни части от съвременната електроника.
Като знаят как работят тези неща и как могат да се използват в електронни устройства, инженерите могат да създават проекти, които са по-ефективни и уникални.
Изследването на лавинообразното напрежение и повреда може да бъде още по-важно, защото показва колко мощна и полезна може да бъде електрониката.
Лесно е да приемем инструментите и машините, които използваме всеки ден за даденост, но е удивително да си помислим за удивителните сили, които работят вътре в тях.
Така че, докато продължавате да учите за инженерство, не забравяйте да бъдете изумени от интелигентността и креативността, които се влагат в създаването на технологията, която използваме всеки ден.
Кой може да каже? Може би вие ще откриете следващото голямо нещо в лавинния срив или напрежение, което ще доведе до още по-големи неща в бъдеще.
Сподели на…
