Introduktion Til Lavinespænding

Hvis du er ingeniørstuderende eller ingeniør, ved du sikkert, hvor vigtig spænding er i elektronik.

Men hvad med lavinespænding? Denne interessante ting sker, når en pn-halvlederforbindelse har en pludselig stigning i strøm, hvilket får materialet til at bryde ned.

Selvom det lyder som en ødelæggende kraft, er lavinenedbrud nu en vigtig del af mange elektroniske enheder, såsom fotodioder og Zener-dioder.

At forstå lavinespændingen, og hvordan den kan bruges i det virkelige liv, kan være en game-changer for ingeniører og hjælpe dem med at lave bedre og mere effektive designs.

Så kom med os, mens jeg taler om lavinespændingens fascinerende verden, og hvordan det påvirker ingeniørområdet.

Formel definition:

Den omvendte spænding, der kræves for at forårsage lavinesammenbrud i en pn-halvlederforbindelse.

Lavinespænding og udtømningslagsbredde

Lavinespænding er den spænding, ved hvilken lavinesammenbrud sker i en pn-junction-diode.

Når en omvendt bias sættes på en let dopet pn-forbindelse, fremskynder det elektriske felt elektronerne i udtømningslaget, hvilket giver dem en masse hastighed.

Denne energi kan forårsage ionisering af atomer i krystalgitteret, hvilket resulterer i en stor strømstrøm.

Forholdet mellem udtømningslagsbredde og lavinespænding

Lavinespændingen af ​​en diode er relateret til bredden af ​​udtømningslaget i en halvlederforbindelse.

Den del af pn-krydset, hvor der ikke er frie ladningsbærere, kaldes udtømningslaget.

Det laves, når minoritetsbærere bevæger sig hen over pn-krydset. Dette gør en region med en nettoafgift, der forhindrer flere minoritetsselskaber i at flytte.

Hvor bredt udtømningslaget er afhænger af mængden af ​​doping og den forspænding, der anvendes. Dioder med høje gennembrudsspændinger er let dopede, hvilket gør udtømningslag, der er brede.

Dioder med lave gennembrudsspændinger er derimod stærkt dopede, hvilket gør udtømningslag, der er smalle.

Lavinespændingen vil være større, hvis udtømningslaget er større. Dette skyldes, at bredere udtømningslag har et større elektrisk felt, som fremskynder elektroner til hurtigere hastigheder.

Dette får flere elektroner til at blive ioner, så nedbrydningsspændingen er højere.

Designovervejelser

Når man laver pn junction dioder, er det vigtigt at tænke på forholdet mellem lavinespændingen og udtømningslagets bredde.

En diode med en høj gennembrudsspænding er nyttig til mange ting, som at regulere spændingen og vende strømstrømmen.

For at opnå en høj gennembrudsspænding skal udtømningslaget være bredt, hvilket kan opnås ved at bruge let doteret halvledermateriale.

Kort sagt er lavinespænding den spænding, ved hvilken lavinesammenbrud får en pn-forbindelsesdiode til at bryde sammen.

Lavinespændingen er knyttet til udtømningslagets bredde, fordi den påvirker den spænding, hvorved dioden bryder sammen.

Forståelse af forholdet mellem lavinespændingen og bredden af ​​udtømningslaget er vigtigt for at designe og optimere pn junction dioder til forskellige anvendelser.

Lavinesammenbrud i PN Semiconductor Junctions

Lavinesammenbrud er en proces, der sker, når den omvendte spænding over en let doteret pn-forbindelse er højere end et vist niveau, kaldet nedbrydningsspændingen.

Ved denne spænding er det elektriske felt i krydset stærkt nok til at skubbe på elektronerne og bryde dem fri fra deres kovalente bindinger.

De frie elektroner rammer derefter andre atomer i enheden, frigiver flere elektroner og forårsager en lavine af strøm.

Dette kaldes "bærermultiplikation", og det får strømstrømmen gennem pn-forbindelsen til at stige betydeligt.

Mekanisme for lavinesammenbrud og sammenligning med Zener-nedbrydning

Lavinesammenbrud sker, når frie elektroner og atomer i enheden støder ind i hinanden.

Zener-nedbrydning er på den anden side forårsaget af et stærkt elektrisk felt på tværs af pn-krydset.

Både lavinenedbrydningen og Zener-nedbrydningen involverer skabelsen og bevægelsen af ​​elektroner og huller inde i halvledermaterialet.

Men den største forskel mellem de to typer nedbrydning er, hvordan elektron-hul-parret er lavet.

Forskelle mellem Avalanche og Zener Breakdowns

Lavinesammenbrud er irreversibelt og sker ved en højere omvendt spænding end Zener-nedbrud.

Gennembrudsspændingen styres af mængden af ​​doping i halvledermaterialet.

Efterhånden som mængden af ​​doping stiger, stiger både lavinemetodens temperaturkoefficient og størrelsen af ​​nedbrydningsspændingen.

Lavinenedbrydning sker i materialer med en lille mængde doping, mens Zener-nedbrydning sker i materialer med meget doping.

Forbindelsen af ​​en diode vil ikke gå tilbage til hvor den var efter et lavinesammenbrud, men den vil gå tilbage til hvor den var efter et Zener-sammenbrud.

Lavine-nedbrud sker i tykke dele af halvledermaterialet, mens Zener-nedbrud sker i tynde dele.

Det er værd at bemærke, at begge typer nedbrud sandsynligvis ikke vil ske på samme tid.

Hver type sammenbrud er forårsaget af forskellige ting, og det er usandsynligt, at begge vil ske på samme tid.

Video: Forstå lavineeffekten: en introduktion

Tip: Slå billedtekstknappen til, hvis du har brug for det. Vælg "automatisk oversættelse" i indstillingsknappen, hvis du ikke er fortrolig med det engelske sprog. Du skal muligvis først klikke på sproget for videoen, før dit yndlingssprog bliver tilgængeligt til oversættelse.

Praktiske anvendelser af lavinesammenbrud

Lavinesammenbrud er et fænomen, der kan ske i både isolerende og halvledende materialer.

Det er, når en stor strøm kan strømme gennem materialer, der normalt er gode isolatorer.

Processen kan bruges i elektroniske enheder til at gøre nyttige ting som at stoppe overspændinger, beskytte mod overspænding, bruge som spændingsreference og lave strømkilder.

Overspændingsundertrykkelse

I overspændingsdæmpningskredsløb bruges lavinenedbrud til at beskytte elektroniske enheder mod spændingsspidser forårsaget af lynnedslag, elektromagnetiske impulser eller andre ting.

I dette tilfælde er den enhed, der skal beskyttes, forbundet parallelt med en lavinediode.

Når spændingen over enheden er højere end diodens gennembrudsspænding, går dioden ind i lavinenedbrudsområdet, som tager den ekstra spænding væk fra enheden, der beskyttes.

Dette forhindrer, at strømmen af ​​elektricitet skader enheden.

Overspændingsbeskyttelseskredsløb

Lavinesammenbrud bruges også i kredsløb, der beskytter elektroniske enheder mod at blive beskadiget af for høj spænding.

I disse kredsløb er den enhed, der skal beskyttes, forbundet i serie med en lavinediode.

Når spændingen over enheden er højere end diodens gennembrudsspænding, går dioden ind i lavinenedbrudsområdet, hvilket begrænser spændingen over den enhed, der beskyttes.

Spændingsreferencekredsløb

I spændingsreferencekredsløb bruges lavinenedbrud for at sikre, at referencespændingen er stabil og nøjagtig.

Som spændingsreference bruges en lavinediode med en baglæns bias i disse kredsløb.

Diodens gennembrudsspænding er meget stabil og afhænger af, hvor meget doping der foretages, når den laves. Dette gør det til en fantastisk referencespænding til applikationer, der kræver høj nøjagtighed.

Aktuelle Kilder

Lavine-nedbrydning bruges i strømkilder, hvor der er behov for en stabil strøm, såsom i præcisionsinstrumentering og målekredsløb.

I disse kredsløb er en lavinediode forbundet i serie med en modstand.

Diodens gennembrudsspænding og modstandens værdi bestemmer, hvor meget strøm der løber gennem kredsløbet.

Kontrol og forebyggelse af lavinesammenbrud

I elektroniske kredsløb er der en række måder at stoppe eller kontrollere lavinesammenbrud på.

Lavinedioder

En lavinediode er en måde at forhindre en lavine i at gå i stykker. Lavinedioder er lavet til at arbejde i omvendt nedbrydningsregion, og de bruges til at beskytte kredsløb mod spændinger, der ikke er ønsket.

Krydset af en lavinediode er lavet til at nedbrydes jævnt over hele krydset. Dette forhindrer strømmen i at koncentrere sig, og at hot spots ikke dannes.

I modsætning til en lavinediode forbliver nedbrydningsspændingen for en lavinediode næsten den samme, når strømmen ændres.

Transientundertrykkelsesanordninger og spændingsspænding

Elektroniske kredsløb kan også gøres sikre mod lavinenedbrud ved hjælp af transiente undertrykkelsesanordninger og spændingsspænding.

Zenerdioder bruges ofte til at klemme spænding.

Når der anvendes to zenerdioder med samme omvendte gennembrudsspænding, vil en transient spænding af begge polariteter blive fastspændt på det samme zenerspændingsniveau.

MOSFET'er

Når en spænding er højere end MOSFET'ens gennembrudsspænding, kan den også gå i lavinetilstand, hvilket kan give problemer.

Lavinesammenbrud i MOSFET'er kan undgås med et godt kredsløbsdesign og omhyggeligt valg af MOSFET'er med de rigtige spændingsværdier.

Yderligere måder at forhindre lavinesammenbrud

Der er flere måder at stoppe lavinesammenbrud i elektroniske kredsløb end blot at bruge lavinedioder, transientundertrykkelsesenheder, spændingsspænding og omhyggeligt valg af MOSFET'er.

Her er nogle af dem:

Forebyggelsestip:	Beskrivelse:
Justering af diodens dopingniveau	En diodes gennembrudsspænding afhænger af, hvor meget doping der bruges, når den laves. Ved at ændre niveauet af doping kan du hæve lavinesammenbrudsspændingen og forhindre lavinenedbrud i at ske.
Forøgelse af tykkelsen af ​​udtømningsområdet	Dopingkoncentrationen og forspændingen påvirker tykkelsen af ​​udtømningsområdet i en diode. Ved at gøre udtømningsområdet tykkere, kan lavinenedbrydningsspændingen hæves, og lavinenedbrud kan stoppes.
Korrekt varmeafledning	For meget varme kan nedbryde dioder og få dem til at svigte. Køleplader og andre måder at køle ting ned på kan hjælpe med at forhindre en lavine i at bryde sammen.
Sikringer og overspændingsbeskyttere	Sikringer og overspændingsbeskyttere hjælper med at beskytte elektroniske kredsløb mod spændingsstigninger og andre forbigående hændelser, der kan forårsage lavinefejl.

Spændings- og lavinenedbrud

Dielektrisk styrke og sammenbrudsspænding

Et materiales evne til at modstå elektrisk stress uden at bryde ned og blive ledende måles ved dets dielektriske styrke. Volt per centimeter er en almindelig måde at måle det på.

Chancen for fejl ved denne spænding er lav nok til, at der kan laves isolering med den antagelse, at den ikke vil bryde ved denne spænding.

AC-nedbrudsspændinger og impulsgennembrudsspændinger er begge måder at måle den dielektriske styrke af et materiale på.

Vekselspændingen er netfrekvensen, mens impulsnedbrydningsspændingen imiterer lynnedslag.

Det tager normalt bølgen 1,2 mikrosekunder at stige til 90 % amplitude, derefter 50 mikrosekunder at falde tilbage til 50 % amplitude.

Konklusion

Sammenfattende kan lavinesammenbrud og spænding virke som komplicerede ideer, som kun eksperter kan forstå, men de er begge vigtige dele af moderne elektronik.

Ved at vide, hvordan disse ting fungerer, og hvordan de kan bruges i elektroniske enheder, kan ingeniører lave design, der er mere effektivt og unikt.

Studiet af lavinespænding og sammenbrud kan være endnu vigtigere, fordi det viser, hvor kraftfuld og nyttig elektronik kan være.

Det er nemt at tage de værktøjer og maskiner, vi bruger hver dag, for givet, men det er fantastisk at tænke på de fantastiske kræfter, der virker inde i dem.

Så mens du bliver ved med at lære om teknik, så glem ikke at blive overrasket over den klogskab og kreativitet, der ligger i at lave den teknologi, vi bruger hver dag.

Hvem kan sige? Måske vil du være den, der finder den næste store ting i lavinesammenbrud eller spænding, som vil føre til endnu større ting i fremtiden.