Úvod Do Lavinového Napětí

Pokud jste student inženýrství nebo inženýr, pravděpodobně víte, jak důležité je napětí v elektronice.

Ale co lavinové napětí? Tato zajímavá věc se stane, když přechod Pn polovodiče náhle zvýší proud, což způsobí rozpad materiálu.

I když to zní jako destruktivní síla, lavinový rozpad je nyní důležitou součástí mnoha elektronických zařízení, jako jsou fotodiody a Zenerovy diody.

Pochopení lavinové napětí a jeho použití v reálném životě může pro inženýry změnit hru a pomoci jim vytvořit lepší a efektivnější návrhy.

Pojďte tedy s námi mluvit o fascinujícím světě lavinového napětí a o tom, jak ovlivňuje oblast strojírenství.

Formální definice:

Zpětné napětí potřebné k tomu, aby způsobilo lavinový průraz v polovodičovém přechodu pn.

Lavinové napětí a šířka vrstvy vyčerpání

Lavinové napětí je napětí, při kterém dochází k lavinovému průrazu v pn přechodové diodě.

Když je na lehce dotovaný pn přechod vloženo zpětné předpětí, elektrické pole urychlí elektrony ve vrstvě vyčerpání, což jim dává velkou rychlost.

Tato energie může způsobit ionizaci atomů v krystalové mřížce, což má za následek velký tok proudu.

Vztah mezi šířkou vrstvy vyčerpání a lavinové napětí

Lavinové napětí diody souvisí s šířkou ochuzovací vrstvy v polovodičovém přechodu.

Část pn přechodu, kde nejsou žádné volné nosiče náboje, se nazývá depleční vrstva.

Vytváří se, když se menšinové nosiče pohybují přes pn přechod. To vytváří oblast s čistým nábojem, který brání dalšímu menšinovému nosiči v pohybu.

Jak široká je vrstva vyčerpání, závisí na množství dopingu a použitém předpětí. Diody s vysokým průrazným napětím jsou lehce dopovány, což vytváří ochuzovací vrstvy, které jsou široké.

Diody s nízkým průrazným napětím jsou naproti tomu silně dopovány, díky čemuž jsou vrstvy vyčerpání úzké.

Lavinové napětí bude větší, pokud bude vrstva vyčerpání větší. Je to proto, že širší vrstvy vyčerpání mají větší elektrické pole, které urychluje elektrony na vyšší rychlosti.

To způsobí, že se z více elektronů stanou ionty, takže průrazné napětí je vyšší.

Úvahy o designu

Při výrobě pn přechodových diod je důležité myslet na vztah mezi lavinovým napětím a šířkou ochuzovací vrstvy.

Dioda s vysokým průrazným napětím je užitečná pro mnoho věcí, jako je regulace napětí a obrácení toku energie.

Pro dosažení vysokého průrazného napětí musí být ochuzovací vrstva široká, čehož lze dosáhnout použitím lehce dopovaného polovodičového materiálu.

Stručně řečeno, lavinové napětí je napětí, při kterém lavinový průraz způsobí rozpad diody pn přechodu.

Lavinové napětí je vázáno na šířku vrstvy vyčerpání, protože ovlivňuje napětí, při kterém se dioda porouchá.

Pochopení vztahu mezi lavinovým napětím a šířkou ochuzovací vrstvy je důležité pro návrh a optimalizaci pn přechodových diod pro různá použití.

Lavinový rozpad v polovodičových spojích PN

Lavinový průraz je proces, ke kterému dochází, když je zpětné napětí na lehce dotovaném pn přechodu vyšší než určitá úroveň, nazývaná průrazné napětí.

Při tomto napětí je elektrické pole na přechodu dostatečně silné, aby zatlačilo na elektrony a uvolnilo je z jejich kovalentních vazeb.

Volné elektrony pak zasáhly další atomy v zařízení, uvolnily další elektrony a způsobily lavinu proudu.

Tomu se říká „násobení nosné“ a způsobí to, že se tok proudu přes pn přechod výrazně zvýší.

Mechanismus lavinového rozpadu a srovnání se Zenerovým rozpadem

Lavinové zhroucení nastane, když na sebe volné elektrony a atomy v zařízení narazí.

Zenerův průraz je na druhé straně způsoben silným elektrickým polem přes pn přechod.

Lavinový průraz i Zenerův průraz zahrnují tvorbu a pohyb elektronů a děr uvnitř polovodičového materiálu.

Ale největší rozdíl mezi těmito dvěma typy rozpadu je v tom, jak je vytvořen pár elektron-díra.

Rozdíly mezi Avalanche a Zener Breakdowns

Lavinový průraz je nevratný a dochází k němu při vyšším zpětném napětí než při Zenerově průrazu.

Průrazné napětí je řízeno množstvím dopingu v polovodičovém materiálu.

Jak množství dopingu stoupá, zvyšuje se jak teplotní koeficient lavinové metody, tak velikost průrazného napětí.

K lavinovému rozpadu dochází v materiálech s malým množstvím dopingu, zatímco k Zenerovu rozpadu dochází v materiálech s velkým množstvím dopingu.

Spojení diody se nevrátí tam, kde bylo po lavinovém průrazu, ale vrátí se tam, kde bylo po Zenerově průrazu.

K lavinovým poruchám dochází v tlustých částech polovodičového materiálu, zatímco k Zenerovým poruchám dochází v tenkých částech.

Stojí za zmínku, že oba typy poruch pravděpodobně nenastanou současně.

Každý typ poruchy je způsoben různými věcmi a je nepravděpodobné, že k obojímu dojde současně.

Video: Pochopení lavinového efektu: úvod

Tip: Pokud potřebujete, zapněte tlačítko titulků. Pokud neznáte anglický jazyk, vyberte v tlačítku nastavení „automatický překlad“. Než bude váš oblíbený jazyk dostupný pro překlad, možná budete muset nejprve kliknout na jazyk videa.

Praktické aplikace lavinového rozkladu

Lavinový rozpad je jev, ke kterému může dojít jak u izolačních, tak u polovodičových materiálů.

To je, když velký proud může protékat materiály, které jsou normálně dobrými izolanty.

Tento proces lze použít v elektronických zařízeních k provádění užitečných věcí, jako je zastavení přepětí, ochrana proti přepětí, použití jako referenční napětí a vytváření zdrojů proudu.

Potlačení přepětí

V obvodech pro potlačení přepětí se lavinový průraz používá k ochraně elektronických zařízení před napěťovými špičkami způsobenými údery blesku, elektromagnetickými impulsy nebo jinými věcmi.

V tomto případě je chráněné zařízení zapojeno paralelně s lavinovou diodou.

Když je napětí na zařízení vyšší než průrazné napětí diody, dioda přejde do oblasti lavinového průrazu, která odvede přebytečné napětí z chráněného zařízení.

Tím se zabrání tomu, aby nárazový proud elektřiny poškodil zařízení.

Přepěťové ochranné obvody

Lavinový průraz se také používá v obvodech, které chrání elektronická zařízení před poškozením příliš velkým napětím.

V těchto obvodech je chráněné zařízení zapojeno do série s lavinovou diodou.

Když je napětí na zařízení vyšší než průrazné napětí diody, dioda přejde do oblasti lavinového průrazu, což omezuje napětí na chráněném zařízení.

Referenční obvody napětí

V napěťových referenčních obvodech se používá lavinový průraz, aby se zajistilo, že referenční napětí je stabilní a přesné.

Jako napěťová reference je v těchto obvodech použita lavinová dioda se zpětným předpětím.

Průrazné napětí diody je velmi stabilní a závisí na tom, jak moc se dopuje při výrobě. To z něj dělá skvělé referenční napětí pro aplikace, které vyžadují vysokou přesnost.

Aktuální zdroje

Lavinový průraz se používá v proudových zdrojích, kde je potřeba stabilní proud, např. V přesných přístrojových a měřicích obvodech.

V těchto obvodech je lavinová dioda zapojena do série s rezistorem.

Průrazné napětí diody a hodnota rezistoru určují, jak velký proud protéká obvodem.

Kontrola a prevence lavinového zhroucení

V elektronických obvodech existuje řada způsobů, jak zastavit nebo kontrolovat lavinový průraz.

Lavinové diody

Lavinová dioda je jedním ze způsobů, jak zastavit rozpad laviny. Lavinové diody jsou vyrobeny pro práci v oblasti zpětného průrazu a používají se k ochraně obvodů před nežádoucím napětím.

Spojení lavinové diody je provedeno tak, aby se rozpadalo rovnoměrně po celém přechodu. To zabraňuje koncentrování proudu a tvorbě horkých míst.

Na rozdíl od nelavinové diody zůstává průrazné napětí lavinové diody téměř stejné, jak se mění proud.

Zařízení pro potlačení přechodných jevů a napěťové svorky

Elektronické obvody lze také zabezpečit před lavinovým zhroucením pomocí zařízení na potlačení přechodových jevů a napěťových svorek.

Zenerovy diody se často používají k uchycení napětí.

Když se použijí dvě zenerovy diody se stejným zpětným průrazným napětím, přechodné napětí kterékoli polarity bude sevřeno na stejné úrovni zenerova napětí.

MOSFETy

Když je napětí vyšší než průrazné napětí MOSFETu, může také přejít do lavinového režimu, což může způsobit problémy.

Lavinovému zhroucení MOSFETů se lze vyhnout dobrým návrhem obvodu a pečlivým výběrem MOSFETů se správným jmenovitým napětím.

Další způsoby, jak zabránit zhroucení laviny

Existuje více způsobů, jak zastavit lavinové zhroucení elektronických obvodů, než jen použití lavinových diod, zařízení pro potlačení přechodových jevů, napěťové svorky a pečlivý výběr MOSFETů.

Tady jsou některé z nich:

Tip na prevenci:	Popis:
Úprava úrovně dopingu diody	Průrazné napětí diody závisí na tom, kolik dopingu se používá, když je vyrobena. Změnou úrovně dopingu můžete zvýšit napětí při lavinovém průrazu a zastavit lavinový průraz.
Zvětšení tloušťky oblasti vyčerpání	Koncentrace dopingu a předpětí ovlivňují tloušťku oblasti vyčerpání v diodě. Tím, že se oblast vyčerpání zvětší, může se zvýšit napětí při lavinovém průrazu a průraz laviny může být zastaven.
Správný odvod tepla	Příliš mnoho tepla může rozbít diody a způsobit jejich selhání. Chladiče a další způsoby chlazení mohou pomoci zabránit pádu laviny.
Pojistky a přepěťové ochrany	Pojistky a přepěťové ochrany pomáhají chránit elektronické obvody před napěťovými rázy a jinými přechodnými jevy, které mohou způsobit lavinové selhání.

Napětí a lavinový rozpad

Dielektrická pevnost a průrazné napětí

Schopnost materiálu odolat elektrickému namáhání, aniž by se porouchal a stal se vodivým, se měří jeho dielektrickou pevností. Volty na centimetr jsou běžným způsobem měření.

Pravděpodobnost selhání při tomto napětí je dostatečně nízká, aby bylo možné provést izolaci s předpokladem, že se při tomto napětí nerozbije.

Střídavá průrazná napětí a impulsní průrazná napětí jsou oba způsoby měření dielektrické pevnosti materiálu.

Střídavé napětí je síťová frekvence sítě, zatímco impulsní průrazné napětí imituje údery blesku.

Vlně obvykle trvá 1,2 mikrosekundy, než stoupne na 90% amplitudu, pak 50 mikrosekund, než klesne zpět na 50% amplitudu.

Závěr

Závěrem lze říci, že lavinový průraz a napětí se mohou zdát jako komplikované myšlenky, kterým mohou porozumět pouze odborníci, ale obojí je důležitou součástí moderní elektroniky.

Díky znalosti, jak tyto věci fungují a jak je lze použít v elektronických zařízeních, mohou inženýři vytvářet návrhy, které jsou efektivnější a jedinečné.

Studium lavinového napětí a průrazu může být ještě důležitější, protože ukazuje, jak výkonná a užitečná může být elektronika.

Je snadné považovat nástroje a stroje, které používáme každý den, za samozřejmost, ale je úžasné myslet na úžasné síly, které v nich pracují.

Takže, když se budete neustále učit o strojírenství, nezapomeňte být ohromeni chytrostí a kreativitou, které jsou součástí výroby technologie, kterou používáme každý den.

Kdo může tvrdit? Možná to budete právě vy, kdo najde další velkou věc v lavinovém rozpadu nebo napětí, která v budoucnu povede k ještě větším věcem.