如果您是工科学生或工程师，您可能知道电压在电子产品中的重要性。
但是雪崩电压呢？当 pn 半导体结的电流突然增加导致材料击穿时，就会发生这种有趣的事情。
尽管这听起来像是一种破坏力，但雪崩击穿现在已成为许多电子设备的重要组成部分，例如光电二极管和齐纳二极管。
了解雪崩电压以及如何在现实生活中使用它可以改变工程师的游戏规则，并帮助他们做出更好、更高效的设计。
因此，在我谈论雪崩电压的迷人世界以及它如何影响工程领域时，请和我们一起来。
正式定义：
在 pn 半导体结中引起雪崩击穿所需的反向电压。
雪崩电压和耗尽层宽度
雪崩电压是pn结二极管发生雪崩击穿时的电压。
当在轻掺杂 pn 结上施加反向偏压时，电场会加速耗尽层中的电子，从而使它们具有很大的速度。
这种能量会导致晶格中的原子电离，从而产生大电流。
耗尽层宽度与雪崩电压的关系
二极管的雪崩电压与半导体结中耗尽层的宽度有关。
pn 结中没有自由载流子的部分称为耗尽层。
它是在少数载流子穿过 pn 结时产生的。这使得一个区域具有阻止更多少数载流子移动的净电荷。
耗尽层的宽度取决于掺杂量和使用的偏置电压。具有高击穿电压的二极管是轻掺杂的，这使得耗尽层很宽。
另一方面，具有低击穿电压的二极管是重掺杂的，这使得耗尽层很窄。
耗尽层越大，雪崩电压就越大。这是因为更宽的耗尽层具有更大的电场，从而使电子加速到更快的速度。
这导致更多的电子变成离子，因此击穿电压更高。
设计注意事项
在制作 pn 结二极管时，重要的是要考虑雪崩电压与耗尽层宽度之间的关系。
具有高击穿电压的二极管可用于许多事情，例如调节电压和反转功率流。
要获得高击穿电压，耗尽层必须很宽，这可以通过使用轻掺杂半导体材料来实现。
简而言之，雪崩电压是雪崩击穿导致pn结二极管击穿的电压。
雪崩电压与耗尽层的宽度有关，因为它会影响二极管击穿的电压。
了解雪崩电压与耗尽层宽度之间的关系对于设计和优化不同用途的 pn 结二极管很重要。
PN 半导体结中的雪崩击穿
雪崩击穿是轻掺杂 pn 结两端的反向电压高于某一水平（称为击穿电压）时发生的过程。
在这个电压下，结处的电场足够强，可以推动电子并使它们脱离共价键。
然后，自由电子撞击设备中的其他原子，释放更多电子并导致电流雪崩。
这称为“载流子倍增”，它会导致流过 pn 结的电流显着增加。
雪崩击穿的机理及与齐纳击穿的比较
当器件中的自由电子和原子相互碰撞时，就会发生雪崩击穿。
另一方面，齐纳击穿是由 pn 结上的强电场引起的。
雪崩击穿和齐纳击穿都涉及半导体材料内部电子和空穴的产生和移动。
但这两种击穿的最大区别在于电子-空穴对的形成方式。
雪崩击穿和齐纳击穿的区别
雪崩击穿是不可逆的，发生在比齐纳击穿更高的反向电压下。
击穿电压由半导体材料中的掺杂量控制。
随着掺杂量的增加，雪崩法温度系数和击穿电压的大小都会增加。
雪崩击穿发生在少量掺杂的材料中，而齐纳击穿发生在大量掺杂的材料中。
二极管的结不会回到雪崩击穿后的位置，但它会回到齐纳击穿后的位置。
雪崩击穿发生在半导体材料的厚部分，而齐纳击穿发生在薄的部分。
值得注意的是，两种类型的故障不太可能同时发生。
每种类型的故障都是由不同的原因引起的，两者不太可能同时发生。
视频：了解雪崩效应：简介
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雪崩击穿的实际应用
雪崩击穿是一种在绝缘材料和半导体材料中都可能发生的现象。
这是当大电流可以流过通常是良好绝缘体的材料时。
该过程可用于电子设备中，以做一些有用的事情，例如停止浪涌、防止过压、用作电压参考和制作电流源。
浪涌抑制
在浪涌抑制电路中，雪崩击穿用于保护电子设备免受雷击、电磁脉冲或其他因素引起的电压尖峰的影响。
在这种情况下，要保护的设备与雪崩二极管并联。
当器件两端的电压高于二极管的击穿电压时，二极管进入雪崩击穿区，从而将额外的电压从受保护的器件上带走。
这样可以防止电涌损坏设备。
过电压保护电路
雪崩击穿还用于保护电子设备免受过高电压损坏的电路中。
在这些电路中，要保护的设备与雪崩二极管串联。
当器件两端的电压高于二极管的击穿电压时，二极管进入雪崩击穿区，从而限制被保护器件两端的电压。
电压参考电路
在电压基准电路中，雪崩击穿用于确保基准电压的稳定和准确。
这些电路中使用具有反向偏置的雪崩二极管作为电压基准。
二极管的击穿电压非常稳定，取决于制作时掺杂了多少。这使其成为需要高精度的应用的理想参考电压。
当前资源
雪崩击穿用于需要稳定电流的电流源，例如精密仪器和测量电路。
在这些电路中，雪崩二极管与电阻串联。
二极管的击穿电压和电阻器的值决定了有多少电流流过电路。
雪崩击穿的控制与预防
在电子电路中，有多种方法可以阻止或控制雪崩击穿。
雪崩二极管
雪崩二极管是阻止雪崩破裂的一种方法。雪崩二极管用于在反向击穿区域工作，它们用于保护电路免受不需要的电压影响。
雪崩二极管的结在整个结上均匀击穿。这可以防止电流集中和形成热点。
与非雪崩二极管相比，雪崩二极管的击穿电压几乎与电流变化相同。
瞬态抑制器件和电压钳位
借助瞬态抑制装置和电压钳位，电子电路也可以避免雪崩击穿。
齐纳二极管通常用于钳位电压。
当使用两个具有相同反向击穿电压的齐纳二极管时，任一极性的瞬态电压将被钳位在相同的齐纳电压电平。
MOSFET
当电压高于 MOSFET 的击穿电压时，它也会进入雪崩模式，这会导致问题。
通过良好的电路设计和谨慎选择具有正确额定电压的 MOSFET，可以避免 MOSFET 中的雪崩击穿。
防止雪崩击穿的其他方法
除了使用雪崩二极管、瞬变抑制器件、电压钳位和谨慎选择 MOSFET 之外，还有更多方法可以阻止电子电路中的雪崩击穿。
这里是其中的一些：
| 预防提示： | 描述： |
|---|---|
| 调整二极管的掺杂水平 | 二极管的击穿电压取决于制造时使用了多少掺杂。通过改变掺杂水平，可以提高雪崩击穿电压并阻止雪崩击穿的发生。 |
| 增加耗尽区的厚度 | 掺杂浓度和偏置电压会影响二极管中耗尽区的厚度。通过使耗尽区变厚，可以提高雪崩击穿电压并停止雪崩击穿。 |
| 适当散热 | 过多的热量会击穿二极管并导致它们失效。散热器和其他降温方法可以帮助防止雪崩崩溃。 |
| 保险丝和电涌保护器 | 保险丝和浪涌保护器有助于保护电子电路免受电压浪涌和其他可能导致雪崩故障的瞬态事件的影响。 |
电压和雪崩击穿
介电强度和击穿电压
材料承受电应力而不击穿和导电的能力通过其介电强度来衡量。伏特每厘米是一种常用的测量方法。
在此电压下发生故障的可能性很低，因此可以假设绝缘不会在此电压下断裂。
交流击穿电压和脉冲击穿电压都是衡量材料介电强度的方法。
交流电压是电源的线路频率，而脉冲击穿电压模拟雷击。
波通常需要 1.2 微秒才能上升到 90% 的振幅，然后需要 50 微秒才能回落到 50% 的振幅。
结论
总之，雪崩击穿和电压似乎是只有专家才能理解的复杂概念，但它们都是现代电子学的重要组成部分。
通过了解这些东西如何工作以及如何在电子设备中使用它们，工程师可以做出更高效、更独特的设计。
雪崩电压和击穿的研究可能更为重要，因为它显示了电子产品的强大和实用性。
我们很容易认为我们每天使用的工具和机器是理所当然的，但想想它们内部发挥作用的惊人力量就令人惊叹。
因此，当您不断学习工程学时，不要忘记惊叹于制造我们每天使用的技术所蕴含的聪明才智和创造力。
谁能说？也许您会发现雪崩击穿或电压中的下一件大事，这将在未来导致更大的事情发生。
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