Ako ste student strojarstva ili inženjer, vjerojatno znate koliko je napon važan u elektronici.
Ali Å”ta je sa lavinskim naponom? Ova zanimljiva stvar se deÅ”ava kada pn poluprovodniÄki spoj ima nagli porast struje, Å”to uzrokuje raspad materijala.
Iako zvuÄi kao destruktivna sila, lavinski slom danas je važan dio mnogih elektronskih ureÄaja, kao Å”to su fotodiode i Zener diode.
Razumijevanje lavinskog napona i naÄina na koji se on može koristiti u stvarnom životu može promijeniti igru āāza inženjere i pomoÄi im da naprave bolje, efikasnije dizajne.
Dakle, poÄite s nama dok priÄam o fascinantnom svijetu lavinskog napona i kako on utiÄe na polje inženjerstva.
Formalna definicija:
Obrnuti napon potreban da izazove lavinski slom u pn poluvodiÄkom spoju.
Lavini napon i Ŕirina sloja iscrpljivanja
Lavinski napon je napon pri kojem se dogodi lavinski slom u diodi pn spoja.
Kada se na lagano dopirani pn spoj stavi obrnuta pristranost, elektriÄno polje ubrzava elektrone u osiromaÅ”enom sloju, dajuÄi im veliku brzinu.
Ova energija može izazvati jonizaciju atoma u kristalnoj reŔetki, Ŕto rezultira velikim protokom struje.
Odnos izmeÄu Å”irine sloja iscrpljivanja i napona lavine
Lavinski napon diode povezan je sa Å”irinom deplecionog sloja u poluvodiÄkom spoju.
Dio pn spoja u kojem nema slobodnih nosilaca naboja naziva se deplecijski sloj.
Nastaje kada se manjinski nosaÄi kreÄu preko pn spoja. Ovo Äini region sa neto naplatom koja spreÄava kretanje veÄine manjinskih prevoznika.
Koliko je Å”irok osiromaÅ”eni sloj ovisi o koliÄini dopinga i naponu prednapona koji se koristi. Diode sa visokim naponima proboja su lagano dopirane, Å”to Äini slojeve iscrpljivanja Å”iroke.
S druge strane, diode sa niskim naponom proboja su jako dopirane, Å”to Äini slojeve iscrpljivanja uskim.
Napon lavine Äe biti veÄi ako je sloj deplecije veÄi. To je zato Å”to Å”iri slojevi osiromaÅ”enja imaju veÄe elektriÄno polje, koje ubrzava elektrone do veÄih brzina.
Ovo uzrokuje da viÅ”e elektrona postanu joni, pa je napon proboja veÄi.
Razmatranje dizajna
Prilikom izrade dioda sa pn spojem važno je razmiÅ”ljati o odnosu izmeÄu lavinskog napona i Å”irine deplecionog sloja.
Dioda s visokim naponom proboja korisna je za mnoge stvari, poput regulacije napona i obrnutog toka snage.
Da bi se postigao visok probojni napon, sloj deplecije mora biti Å”irok, Å”to se može postiÄi upotrebom lagano dopiranog poluvodiÄkog materijala.
Ukratko, lavinski napon je napon pri kojem lavinski slom uzrokuje kvar diode pn spoja.
Lavinski napon je vezan za Å”irinu sloja iscrpljenosti jer utjeÄe na napon pri kojem se dioda raspada.
Razumijevanje odnosa izmeÄu lavinskog napona i Å”irine sloja deplecije važno je za dizajniranje i optimizaciju dioda pn spoja za razliÄite namjene.
Avalanche breakdown in PN Semiconductor Junctions
Proboj lavine je proces koji se dogaÄa kada je obrnuti napon na lagano dopiranom pn spoju veÄi od odreÄenog nivoa, koji se naziva probojni napon.
Pri ovom naponu, elektriÄno polje na spoju je dovoljno snažno da pritisne elektrone i otrgne ih od njihovih kovalentnih veza.
Slobodni elektroni zatim udaraju u druge atome u ureÄaju, oslobaÄajuÄi viÅ”e elektrona i uzrokujuÄi lavinu struje.
To se naziva "množenje nosioca" i uzrokuje da se protok struje kroz pn spoj znaÄajno poveÄa.
Mehanizam sloma lavine i poreÄenje sa Zenerovim slomom
Lavinski slom se dogaÄa kada se slobodni elektroni i atomi u ureÄaju sudare jedan s drugim.
Zenerov kvar je, s druge strane, uzrokovan jakim elektriÄnim poljem preko pn spoja.
I lavinski i Zenerov slom ukljuÄuju stvaranje i kretanje elektrona i rupa unutar poluvodiÄkog materijala.
Ali najveÄa razlika izmeÄu ova dva tipa sloma je naÄin na koji se pravi par elektron-rupa.
Razlike izmeÄu Avalanche i Zener kvarova
Propad lavine je nepovratan i deÅ”ava se pri veÄem obrnutom naponu od Zenerovog kvara.
Napon proboja kontrolira se koliÄinom dopinga u poluvodiÄkom materijalu.
Kako koliÄina dopinga raste, raste i temperaturni koeficijent metode lavine i veliÄina probojnog napona.
Lavini slom se deÅ”ava u materijalima sa malom koliÄinom dopinga, dok se Zener slom deÅ”ava u materijalima sa mnogo dopinga.
Spoj diode se neÄe vratiti tamo gdje je bio nakon lavine, ali Äe se vratiti tamo gdje je bio nakon Zenerovog kvara.
Lavinski kvarovi se deÅ”avaju u debelim delovima poluprovodniÄkog materijala, dok se Zenerovi kvarovi deÅ”avaju u tankim delovima.
Vrijedi napomenuti da se obje vrste kvara vjerovatno neÄe dogoditi u isto vrijeme.
Svaka vrsta kvara je uzrokovana razliÄitim stvarima i malo je vjerovatno da Äe se obje dogoditi u isto vrijeme.
Video: Razumijevanje efekta lavine: uvod
Savjet: UkljuÄite dugme za titl ako vam je potrebno. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu za podeÅ”avanja, ako niste upoznati sa engleskim jezikom. Možda Äete morati prvo kliknuti na jezik videozapisa prije nego Å”to vaÅ” omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.
PraktiÄne primjene sloma lavina
Probijanje lavine je pojava koja se može dogoditi i u izolacijskim i u poluprovodniÄkim materijalima.
To je kada velika struja može teÄi kroz materijale koji su inaÄe dobri izolatori.
Proces se može koristiti u elektroniÄkim ureÄajima za obavljanje korisnih stvari kao Å”to su zaustavljanje prenapona, zaÅ”tita od prenapona, koriÅ”tenje kao referentni napon i stvaranje izvora struje.
Supresija prenapona
U krugovima za suzbijanje prenapona, slom lavine se koristi za zaÅ”titu elektroniÄkih ureÄaja od skokova napona uzrokovanih udarima groma, elektromagnetnim impulsima ili drugim stvarima.
U ovom sluÄaju, ureÄaj koji se Å”titi je povezan paralelno sa lavinskom diodom.
Kada je napon na ureÄaju veÄi od napona proboja diode, dioda prelazi u podruÄje lavinskog proboja, Å”to oduzima dodatni napon sa ureÄaja koji se Å”titi.
Ovo spreÄava nalet elektriÄne energije da oÅ”teti ureÄaj.
Prenaponski zaŔtitni krugovi
Lavina se takoÄer koristi u krugovima koji Å”tite elektronske ureÄaje od oÅ”teÄenja od prevelikog napona.
U ovim krugovima, ureÄaj koji se Å”titi je povezan serijski sa lavinskom diodom.
Kada je napon na ureÄaju veÄi od napona proboja diode, dioda prelazi u podruÄje lavinskog proboja, Å”to ograniÄava napon na ureÄaju koji se Å”titi.
Referentni krugovi napona
U referentnim krugovima napona, lavinski slom se koristi kako bi se osiguralo da je referentni napon stabilan i precizan.
Kao referenca napona, u ovim krugovima se koristi lavinska dioda sa prednaponom unatrag.
Probojni napon diode je vrlo stabilan i ovisi o tome koliko se dopinga vrÅ”i kada se napravi. To ga Äini odliÄnim referentnim naponom za aplikacije koje zahtijevaju visoku preciznost.
Current Sources
Avalanchy breakdown se koristi u izvorima struje gdje je potrebna stabilna struja, kao Ŕto su precizni instrumenti i mjerni krugovi.
U ovim krugovima, lavinska dioda je povezana serijski s otpornikom.
Napon proboja diode i vrijednost otpornika odreÄuju kolika struja teÄe kroz krug.
Kontrola i prevencija lavina
U elektronskim kolima postoji nekoliko naÄina da se zaustavi ili kontroliÅ”e lavinski slom.
Avalanche Diodes
Lavina dioda je jedan od naÄina da sprijeÄite raspad lavine. Lavine diode su napravljene da rade u podruÄju obrnutog proboja, a koriste se za zaÅ”titu kola od napona koji nisu željeni.
Spoj lavinske diode je napravljen da se ravnomjerno razbije po cijelom spoju. Ovo spreÄava koncentrisanje struje i stvaranje vruÄih taÄaka.
Za razliku od nelavine diode, probojni napon lavinske diode ostaje gotovo isti kako se struja mijenja.
UreÄaji za suzbijanje prolaznih pojava i stezanje napona
Elektronska kola se takoÄer mogu zaÅ”tititi od lavinskog sloma uz pomoÄ ureÄaja za suzbijanje tranzijenta i stezanja napona.
Zener diode se Äesto koriste za stezanje napona.
Kada se koriste dvije zener diode sa istim obrnutim probojnim naponom, prelazni napon bilo kojeg polariteta Äe biti stegnut na istom nivou zener napona.
MOSFETs
Kada je napon veÄi od probojnog napona MOSFET-a, on takoÄer može preÄi u lavinski naÄin rada, Å”to može uzrokovati probleme.
Lavina kvara u MOSFET-ovima može se izbjeÄi dobrim dizajnom kola i pažljivim odabirom MOSFET-a s pravim nazivnim naponom.
Dodatni naÄini za spreÄavanje sloma lavine
Postoji viÅ”e naÄina da se zaustavi lavina kvara u elektronskim kolima od pukog koriÅ”tenja lavinskih dioda, ureÄaja za suzbijanje tranzijenta, stezanja napona i pažljivog izbora MOSFET-a.
Evo nekih od njih:
| Savjet za prevenciju: | Opis: |
|---|---|
| PodeÅ”avanje nivoa dopinga diode | Napon proboja diode ovisi o tome koliko se dopinga koristi kada je napravljena. Promjenom nivoa dopinga, možete podiÄi napon proboja lavine i sprijeÄiti da se dogodi lavinski proboj. |
| PoveÄanje debljine podruÄja iscrpljenosti | Koncentracija dopinga i prednapon utjeÄu na debljinu podruÄja iscrpljenosti diode. ÄineÄi podruÄje iscrpljivanja debljim, može se poveÄati napon proboja lavine i zaustaviti slom lavine. |
| Pravilno odvoÄenje toplote | PreviÅ”e topline može pokvariti diode i uzrokovati njihov kvar. Hladnjaci i drugi naÄini za hlaÄenje stvari mogu pomoÄi da se lavina ne sruÅ”i. |
| OsiguraÄi i Å”titnici od prenapona | OsiguraÄi i Å”titnici od prenapona pomažu u zaÅ”titi elektronskih kola od prenapona i drugih prolaznih dogaÄaja koji mogu uzrokovati lavinu. |
Naponski i lavinski slom
DielektriÄna ÄvrstoÄa i probojni napon
Sposobnost materijala da izdrži elektriÄni napon, a da se ne razbije i postane provodljiv mjeri se njegovom dielektriÄnom ÄvrstoÄom. Volti po centimetru su uobiÄajen naÄin mjerenja.
Å ansa za kvar na ovom naponu je dovoljno mala da se može napraviti izolacija uz pretpostavku da se neÄe slomiti na ovom naponu.
Naponi proboja naizmjeniÄne struje i naponi proboja impulsa su oba naÄina mjerenja dielektriÄne ÄvrstoÄe materijala.
AC napon je linijska frekvencija mreže, dok impulsni probojni napon imitira udar groma.
ObiÄno je potrebno talasu 1,2 mikrosekunde da se podigne na amplitudu od 90%, a zatim 50 mikrosekundi da se vrati na amplitudu od 50%.
ZakljuÄak
U zakljuÄku, lavinski slom i napon mogu izgledati kao komplikovane ideje koje samo struÄnjaci mogu razumjeti, ali oboje su važni dijelovi moderne elektronike.
ZnajuÄi kako ove stvari funkcioniÅ”u i kako se mogu koristiti u elektronskim ureÄajima, inženjeri mogu napraviti dizajne koji su efikasniji i jedinstveniji.
ProuÄavanje lavinskog napona i sloma može biti joÅ” važnije jer pokazuje koliko moÄna i korisna elektronika može biti.
Lako je uzeti alate i maŔine koje svakodnevno koristimo zdravo za gotovo, ali je neverovatno razmiŔljati o neverovatnim silama koje deluju u njima.
Dakle, dok nastavljate da uÄite o inženjerstvu, ne zaboravite da budete zadivljeni pameti i kreativnoÅ”Äu koji se koriste u izradi tehnologije koju koristimo svaki dan.
Ko može reÄi? Možda Äete vi biti taj koji Äe pronaÄi sljedeÄu veliku stvar u lavinom slomu ili naponu, Å”to Äe dovesti do joÅ” veÄih stvari u buduÄnosti.
Podijelite naā¦
