Kui olete inseneritudeng või insener, siis ilmselt teate, kui oluline on töökindlate elektroonikaseadmete olemasolu laialdaseks kasutamiseks.
Kuid kas olete kunagi mõelnud, mis juhtub, kui neid seadmeid tabavad tugevad elektriväljad? Siin ilmneb laviiniefekt ja selle mõistmine on võtmetähtsusega, et tagada elektrooniliste süsteemide hea toimimine ja ohutus.
Selles blogipostituses käsitlen laviiniefekti üksikasjalikumalt, sealhulgas selle põhjuseid, tagajärgi ja reaalseid kasutusviise.
See on teema, millest te ei taha mööda vaadata, olenemata sellest, kas olete kogenud insener või alles alustate. Nii et pange kinni ja valmistuge avastama laviiniefekti elektristavat maailma!
Sissejuhatus laviiniefekti
Ametlik määratlus:
Kumulatiivne protsess, mille käigus tugeva elektriväljaga kiirendatud elektron või muu laetud osake põrkab gaasimolekulidega kokku ja ioniseerib neid, vabastades seeläbi uusi elektrone, millel on omakorda rohkem kokkupõrkeid, nii et tühjenemine säilib ise.
Laviiniefekt: üldine seletus
Laviiniefekt on põhiline füüsikaline efekt, mis tekib elektroonikaseadmetes, kui tugeva elektrivälja poolt kiirendatud elektron või muu laetud osake tabab gaasimolekule ja ioniseerib need.
See protsess tekitab uusi elektrone, mis seejärel põrkuvad rohkemate elektronidega, tekitades tühjenemise, mis jätkub iseenesest.
Laviiniefekti kasutatakse sageli elektrooniliste seadmete, näiteks laviinidioodide, kiirgusdetektorite ja osakeste detektorite valmistamiseks.
Laviiniefekt dioodis
Laviiniefekt ilmneb dioodis, kui ristmikule rakendatakse kõrget pöördpinget. See loob tugeva elektrivälja, mis kiirendab elektronide liikumist ristmiku lähedal.
Kui need elektronid liiguvad üle ristmiku, põrkuvad nad kristallvõres olevate aatomitega. See paneb aatomid ioniseeruma ja laseb välja rohkem elektrone.
Need uued elektronid kiirendavad ja tabavad rohkem aatomeid, luues ionisatsiooni ahelreaktsiooni ja voolu, mis jätkub iseenesest.
Seda nimetatakse "laviiniefektiks" ja see juhtub siis, kui dioodid pannakse tööle "vastupidise rikke piirkonnas".
Laviini dioodid
Laviindiood on teatud tüüpi pooljuhtdiood, mis teatud pinge korral laviinis lagunema.
Laviinidioodi pn-siirde on tehtud voolu kontsentratsiooni ja sellest tulenevate kuumade punktide peatamiseks, et laviiniefekt dioodile haiget ei teeks.
Laviini diood on valmistatud samamoodi nagu Zeneri diood ja nendes dioodides võib juhtuda nii Zeneri rike kui ka laviini purunemine.
Laviinidioodid on loodud töötama kõige paremini laviini purunemise tingimustes, seega on neil purunemisel väike, kuid märgatav pingelang.
Näide laviiniefektist dioodis
Laviini purunemise kasutamine vooluahela pinge juhtimiseks on näide laviiniefektist dioodis.
Sellisel juhul pannakse diood töötama vastupidises läbilöögi piirkonnas, kus laviiniefekt võib tagada stabiilse ja prognoositava pingelanguse.
Dioodi saab kasutada šuntina, et kaitsta teisi osi ülepinge eest või piirata koormuse pinget.
Laviiniefekt dioodis on peamine viis pinge väga täpseks juhtimiseks. Seda võib leida paljudest elektroonikaseadmetest.
Video: Avalanche Breakdown ja Zener Breakdown Effect Explained
Nõuanne. Lülitage subtiitrite nupp sisse, kui seda vajate. Kui te ei tunne inglise keelt, valige seadete nupust "automaattõlge". Võimalik, et peate esmalt klõpsama video keelel, enne kui teie lemmikkeel muutub tõlkimiseks kättesaadavaks.
Laviiniefekti tähtsus elektroonilistes seadmetes
Laviiniefekt ja Zeneri efekt on kahte tüüpi elektrilisi rikkeid, mis võivad juhtuda pn-dioodides ja muudes elektroonikaseadmetes.
Laviiniefekt on füüsikaline põhinähtus, mis tekib siis, kui tugeva elektrivälja poolt kiirendatud elektron või muu laetud osake põrkab vastu gaasimolekule ja ioniseerib need.
See protsess tekitab uusi elektrone, mis seejärel põrkuvad rohkemate elektronidega, tekitades tühjenemise, mis jätkub iseenesest.
Laviiniefekti kasutatakse sageli elektrooniliste seadmete, näiteks laviinidioodide, kiirgusdetektorite ja osakeste detektorite valmistamiseks.
Zeneri efekt
Zeneri efekt on teist tüüpi elektriline rike, mis võib juhtuda elektroonikas, eriti pn-dioodides, mis on kallutatud vastupidises suunas.
Kui elektriväli laseb elektronidel liikuda valentsribalt juhtivusribale, tekib see efekt.
Selline kandjate äkiline loomine tõstab kiiresti pöördvoolu, mis viib Zeneri dioodi kõrge kaldejuhtivuseni.
Laviini jaotus erineb Zeneri efektist.
Laviini purunemisel kiirendab elektriväli üleminekupiirkonna vähemuskandeelektronid piisavalt suure kiiruseni, et vabastada elektron-augu paarid, põrkudes kokku seotud elektronidega.
Erinevus Zeneri jaotuse ja Avalanche Breakdowni vahel
Zeneri ja laviini purunemise viis on nende kahe peamine erinevus.
Zeneri lagunemine toimub tugevate elektriväljade korral, laviini purunemine aga siis, kui vabad elektronid ja aatomid üksteisega kokku puutuvad.
Mõlemad probleemid võivad ilmneda samal ajal.
Laviini purunemine toimub sagedamini dioodides, mis on loodud töötama vastupidises rikke piirkonnas, samas kui Zeneri purunemine toimub sagedamini kergelt legeeritud ja madalama pingega dioodides.
Laviiniefekti tähtsus elektroonilistes seadmetes
Laviiniefekt on mõnede elektroonikaseadmete (nt laviinidioodid ja kõrgepingedioodid) oluline osa, kuna see võimaldab elektriahelates pingeid suure täpsusega juhtida.
Laviiniefekti saab kasutada paljude asjade jaoks, näiteks pinge reguleerimiseks, liigpingete eest kaitsmiseks ja kiireks ümberlülitamiseks.
Elektroonikaseadmete kaitsmiseks pinge järskude eest kasutatakse sageli laviinidioode.
Kõrgepinge dioodid kasutavad laviiniefekti, et juhtida pinget elektriahelates väga täpselt.
Laviiniefekti arvutamine ja mõõtmine
Laviiniefekti testimine elektroonilistes seadmetes
Unclamped Inductive Switching (UIS) test on üks viis elektroonikaseadmete ringteel testimiseks laviiniefekti suhtes.
UIS-i test ei ole otsene laviiniefekti test. Selle asemel kontrollib see, kui hästi MOSFET suudab toime tulla kõrgepinge hüpetega ja äkiliste pingelangustega.
UIS-i testi ajal lülitatakse lüliti sisse, et laadida induktiivpool teatud tasemele. Lüliti lülitatakse seejärel välja, et lasta laviiniefektil tekkida.
Kui palju laviini energiat on, sõltub räniseadmega kinnitatud pinge tipu suurusest ja pikkusest.
MOSFET-i laviini reiting aitab kontrollida, kui vastupidav seade on, ja filtreerib välja nõrgemad või tõenäolisemalt purunevad MOSFET-id.
Kuid on oluline meeles pidada, et laviiniefekt ei ole elektroonikaseadmete puhul alati hea, sest see võib põhjustada nende lagunemist ja hävitavat riket.
Seetõttu peavad inimesed, kes projekteerivad vooluahelaid ja valmistavad seadmeid, hoolikalt kaaluma laviiniefekti eeliseid ülepingejuhtumite ja muude mööduvate tingimustega seotud riskide suhtes.
Laviini dioodid
Laviinidioodid on teatud tüüpi pooljuhtdioodid, mis teatud pinge korral laviinis lagunema.
Laviinidioodi pn-siirde on tehtud voolu kontsentratsiooni ja sellest tulenevate kuumade punktide peatamiseks, seega ei tee laviiniefekt dioodile haiget.
Laviini diood on valmistatud samamoodi nagu Zeneri diood ja nendes dioodides võib juhtuda nii Zeneri rike kui ka laviini purunemine.
Laviinidioodid on loodud töötama kõige paremini laviini purunemise tingimustes, seega on neil purunemisel väike, kuid märgatav pingelang.
Laviini dioode saab kasutada paljudeks asjadeks, näiteks pinge reguleerimiseks, liigpingete eest kaitsmiseks ja kiireks lülitamiseks.
Laviiniefekti kasutavad kõrgepinge dioodid elektriahelate pinge suure täpsusega juhtimiseks.
Laviiniefekti tugevdamine ja edendamine
Mõnedes elektroonikaseadmetes võib laviiniefekt olla hea, kuna see raskendab ründajatel statistilise analüüsi abil lihtteksti väljaselgitamist.
Seega on olemas viise, kuidas laviiniefekti vooluringides sagedamini esineda, näiteks:
Eelpinge tõstmine riketest kõrgemale
Üks võimalus muuta vooluringi laviiniefekti tõenäolisem on tõsta eelpinge riketest kõrgemale.
Kuid selleks on vaja vooluringi, mis suudab laviinivoolu esiserva üles võtta ja luua standardse väljundimpulsi, mis on ajastatud laviini kogunemisega.
Aktiivne kustutamine
Sel juhul tuvastab 50 takisti (või integreeritud transistori) laviinivoolu järsu alguse kiire diskriminaator, mis saadab digitaalse väljundimpulsi.
Dopingukontsentratsioonide optimeerimine
Kahe kohandatud kihi dopingukontsentratsioonide optimeerimine võib aidata saada suure elektrivälja valguse tekitatud elektronide laviini paljundamiseks.
Seda meetodit on kasutatud pildiandurite kvanttõhususe parandamiseks. Väidetavalt kasutatakse seda ka CMOS SPAD-ides.
Kavandatavas struktuuris kasutatakse ka gradiendiga dopingprofiiliga p-epitaksiaalset kihti, mis tähendab, et kihti sügavamale minnes dopingu kogus suureneb.
Selline gradiendi dopinguprofiil muudab PDE veelgi paremaks, hõlbustades fotoga genereeritud elektronide liikumist ülespoole ja tõhusalt kogumist laviini paljunemispiirkonna suunas.
Townsendi laviin
Oluline on meeles pidada, et Townsendi laviini käivitab üksainus vaba elektron. Ainult vabad elektronid saavad selle protsessi käivitamiseks elektriväljas piisavalt ringi liikuda.
Kui teil on kunagi igav ja otsite veidi põnevust
Kas mõtlete kodus oma laviiniefekti loomisele? Lihtsalt koguge tugev elektriväli ja mõned gaasimolekulid ning voilaa – teil on iseseisev tühjendus valmis!
Ma teen muidugi nalja.
Laviiniefekti tekitamine väljaspool kontrollitud laborit on ohtlik ega ole hea mõte.
Kuigi idee iseseisvast tühjenemisest võib tunduda lahe, võib sellel olla tõsine mõju elektroonikasüsteemidele ja -seadmetele.
Kasutusjuhtumid
| Kasutatakse: | Kirjeldus: |
|---|---|
| Laviini dioodid | Laviini dioodid on üks levinumaid viise laviiniefekti kasutamiseks. Need spetsiaalsed dioodid on loodud töötama piirkonnas, kus toimub laviiniefekt, mis on vastupidine rikke piirkond. Tulemuseks on püsiv, isepiiruv vooluvoog, mida saab kasutada mitmesuguste ülesannete jaoks, nagu pinge reguleerimine, liigpingete eest kaitsmine ja kiire lülitus. |
| Kiirguse tuvastamine | Kiirguse tuvastamine on laviiniefekti teine oluline kasutusala. Seda kasutatakse kiirgusdetektorite valmistamiseks. Eelkõige on Geiger-Mülleri torud instrumendid, mis kasutavad ioniseeriva kiirguse leidmiseks ja mõõtmiseks laviiniefekti. Kui kiirgusest laetud osakesed läbivad toru, ioniseerivad nad gaasimolekule, põhjustades elektronide tulva, mida saab näha ja mõõta. |
| Elektroonilise müra vähendamine | Laviiniefekti saab kasutada ka müra vähendamiseks teatud tüüpi elektroonikaahelates. Kui laviinidiood on müraallikaga järjestikku ühendatud, võib laviiniefekti isepiirav iseloom aidata vähendada süsteemi üldist mürataset. |
| Kõrge energia füüsika | Lõpuks on laviiniefekt suure energiaga füüsikakatsete põhiosa, kus seda saab kasutada kõrge energiaga osakeste leidmiseks ja mõõtmiseks. Eelkõige kasutavad osakeste detektorid nagu Time Projection Chamber laviiniefekti gaasimolekulide ioniseerimiseks ja signaali loomiseks, mida saab kasutada laetud osakeste liikumise jälgimiseks. |
Järeldus
Nagu sellest postitusest nägime, on laviiniefekt huvitav ja keeruline nähtus, millel on elektroonikaseadmetele ja -süsteemidele palju mõju.
Laviiniefekt võib meile palju õpetada, alates selle peamistest põhjustest kuni viisideni, kuidas seda reaalses maailmas kasutada.
Kuid peale tehniliste detailide annab laviiniefekt ainulaadse ülevaate sellest, kuidas elekter töötab ning kuidas laetud osakesed ja gaasimolekulid omavahel suhtlevad.
See tuletab meile meelde elektri võimsust ja potentsiaali, samuti õrna tasakaalu energia ja aine vahel.
Inseneride ja teadlastena on oluline mitte ainult mõista laviiniefekti tehnilisi aspekte, vaid hinnata ka imestust ja aukartust, mis kaasnevad füüsilise maailma saladuste uurimisega.
Omaks uudishimu ja imestustunne, võime leida oma töös uusi arusaamu ja võimalusi, nihutades võimaliku piire ja kujundades homset maailma.
Seega olgu laviiniefekt meeldetuletus sellest, kui võimas ja kasulik võib teadus ja tehnika olla, ning üleskutse jätkata looduse imede avastamist avatud meelega ja lõputu imetajuga.
Üheskoos saame avada uusi valdkondi ja muuta tuleviku kõigi jaoks paremaks.
Jaga…
