مقدمه ای بر ولتاژ بهمنی

اگر دانشجوی مهندسی یا مهندس هستید، احتمالاً می دانید که ولتاژ در الکترونیک چقدر مهم است.

اما در مورد ولتاژ بهمنی چطور؟ این اتفاق جالب زمانی رخ می دهد که یک اتصال نیمه هادی pn یک افزایش ناگهانی جریان داشته باشد که باعث تجزیه مواد می شود.

اگرچه به نظر می رسد که یک نیروی مخرب است، شکست بهمن اکنون بخش مهمی از بسیاری از دستگاه های الکترونیکی مانند دیودهای نوری و دیودهای زنر است.

درک ولتاژ بهمنی و نحوه استفاده از آن در زندگی واقعی می تواند برای مهندسان تغییر کند و به آنها کمک کند تا طراحی های بهتر و کارآمدتری داشته باشند.

بنابراین، با ما همراه باشید تا در مورد دنیای شگفت انگیز ولتاژ بهمنی و تأثیر آن بر حوزه مهندسی صحبت کنم.

تعریف رسمی:

ولتاژ معکوس مورد نیاز برای ایجاد شکست بهمن در یک اتصال نیمه هادی pn.

ولتاژ بهمن و عرض لایه تخلیه

ولتاژ بهمن ولتاژی است که در آن شکست بهمن در دیود اتصال pn اتفاق می افتد.

هنگامی که یک بایاس معکوس روی یک اتصال pn کم دوپ شده قرار می گیرد، میدان الکتریکی الکترون ها را در لایه تخلیه سرعت می بخشد و به آنها سرعت زیادی می دهد.

این انرژی می تواند باعث یونیزه شدن اتم ها در شبکه کریستالی شود و در نتیجه جریان زیادی ایجاد شود.

رابطه بین عرض لایه تخلیه و ولتاژ بهمن

ولتاژ بهمنی یک دیود به عرض لایه تخلیه در یک اتصال نیمه هادی مربوط می شود.

بخشی از اتصال pn که در آن هیچ حامل شارژ رایگانی وجود ندارد، لایه تخلیه نامیده می شود.

زمانی ایجاد می شود که حامل های اقلیت در سراسر اتصال pn حرکت کنند. این باعث می شود منطقه ای با شارژ خالص که از حرکت تعداد بیشتری از حامل های اقلیت جلوگیری می کند.

پهنای لایه تخلیه بستگی به میزان دوپینگ و ولتاژ بایاس استفاده شده دارد. دیودهای با ولتاژ شکست بالا به آرامی دوپ می شوند که باعث می شود لایه های تخلیه گسترده باشند.

از سوی دیگر، دیودهایی با ولتاژ شکست کم، به شدت دوپ شده اند، که باعث می شود لایه های تخلیه باریک شوند.

اگر لایه تخلیه بزرگتر باشد، ولتاژ بهمن بیشتر خواهد بود. این به این دلیل است که لایه‌های تخلیه گسترده‌تر دارای میدان الکتریکی بزرگ‌تری هستند که سرعت الکترون‌ها را به سرعت‌های سریع‌تری می‌رساند.

این باعث می شود که الکترون های بیشتری به یون تبدیل شوند، بنابراین ولتاژ شکست بالاتر است.

ملاحظات طراحی

هنگام ساخت دیودهای اتصال pn، مهم است که به رابطه بین ولتاژ بهمن و عرض لایه تخلیه فکر کنید.

یک دیود با ولتاژ شکست بالا برای بسیاری از موارد مانند تنظیم ولتاژ و معکوس کردن جریان برق مفید است.

برای دستیابی به ولتاژ شکست بالا، لایه تخلیه باید عریض باشد، که می توان با استفاده از مواد نیمه هادی کم دوپ شده این کار را انجام داد.

به طور خلاصه، ولتاژ بهمنی ولتاژی است که در آن شکست بهمن باعث از بین رفتن دیود اتصال pn می شود.

ولتاژ بهمن به عرض لایه تخلیه مرتبط است زیرا بر ولتاژی که در آن دیود خراب می شود تأثیر می گذارد.

درک رابطه بین ولتاژ بهمن و عرض لایه تخلیه برای طراحی و بهینه سازی دیودهای اتصال pn برای کاربردهای مختلف مهم است.

خرابی بهمن در اتصالات نیمه هادی PN

خرابی بهمن فرآیندی است که زمانی اتفاق می‌افتد که ولتاژ معکوس در یک اتصال pn کم دوپ شده بالاتر از یک سطح معین باشد که ولتاژ شکست نامیده می‌شود.

در این ولتاژ، میدان الکتریکی در محل اتصال به اندازه‌ای قوی است که به الکترون‌ها فشار وارد کند و آنها را از پیوندهای کووالانسی خود جدا کند.

سپس الکترون‌های آزاد به اتم‌های دیگر دستگاه برخورد می‌کنند و الکترون‌های بیشتری آزاد می‌کنند و باعث بهمن جریان می‌شوند.

به این "تکثیر حامل" می گویند و باعث می شود که جریان جریان از طریق اتصال pn به میزان قابل توجهی افزایش یابد.

مکانیسم شکست بهمن و مقایسه با شکست زنر

شکست بهمن زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها و اتم‌های آزاد در دستگاه به یکدیگر برخورد کنند.

از سوی دیگر، شکست زنر توسط یک میدان الکتریکی قوی در سراسر اتصال pn ایجاد می شود.

هم شکست بهمن و هم شکست زنر شامل ایجاد و حرکت الکترون ها و حفره ها در داخل مواد نیمه هادی است.

اما بزرگترین تفاوت بین این دو نوع شکست، نحوه ایجاد جفت الکترون-حفره است.

تفاوت بین بهمن و Zener Breakdown

خرابی بهمن برگشت ناپذیر است و در ولتاژ معکوس بالاتری نسبت به شکست زنر اتفاق می افتد.

ولتاژ شکست توسط مقدار دوپینگ در مواد نیمه هادی کنترل می شود.

با بالا رفتن مقدار دوپینگ، هم ضریب دمایی روش بهمن و هم اندازه ولتاژ شکست بالا می رود.

شکست بهمن در موادی با مقدار کمی دوپینگ اتفاق می افتد، در حالی که شکست زنر در مواد با دوپینگ زیاد اتفاق می افتد.

محل اتصال یک دیود پس از شکست بهمن به جایی که بود بر نمی گردد، اما پس از خرابی زنر به همان جایی که بود برمی گردد.

خرابی بهمن در قسمت های ضخیم مواد نیمه هادی اتفاق می افتد، در حالی که شکست زنر در قسمت های نازک اتفاق می افتد.

شایان ذکر است که احتمال وقوع هر دو نوع خرابی همزمان وجود ندارد.

هر نوع خرابی ناشی از چیزهای مختلفی است و بعید است که هر دو در یک زمان اتفاق بیفتند.

ویدئو: درک اثر بهمن: مقدمه

نکته: در صورت نیاز دکمه زیرنویس را روشن کنید. اگر با زبان انگلیسی آشنایی ندارید، در دکمه تنظیمات، «ترجمه خودکار» را انتخاب کنید. قبل از اینکه زبان مورد علاقه شما برای ترجمه در دسترس قرار گیرد، ممکن است لازم باشد ابتدا روی زبان ویدیو کلیک کنید.

کاربردهای عملی شکست بهمن

شکست بهمن پدیده ای است که می تواند هم در مواد عایق و هم در مواد نیمه رسانا رخ دهد.

این زمانی است که جریان زیادی می تواند از موادی عبور کند که معمولاً عایق های خوبی هستند.

این فرآیند را می توان در دستگاه های الکترونیکی برای انجام کارهای مفید مانند توقف نوسانات، محافظت در برابر اضافه ولتاژ، استفاده به عنوان مرجع ولتاژ و ایجاد منابع جریان استفاده کرد.

سرکوب موج

در مدارهای سرکوب موج، خرابی بهمن برای محافظت از دستگاه های الکترونیکی در برابر افزایش ولتاژ ناشی از برخورد صاعقه، پالس های الکترومغناطیسی یا موارد دیگر استفاده می شود.

در این حالت دستگاهی که قرار است محافظت شود به موازات یک دیود بهمنی متصل می شود.

زمانی که ولتاژ دستگاه بالاتر از ولتاژ خرابی دیود باشد، دیود وارد منطقه شکست بهمن می شود که ولتاژ اضافی را از دستگاه محافظت شده دور می کند.

این باعث می شود که جریان برق به دستگاه آسیب نرساند.

مدارهای حفاظت از اضافه ولتاژ

خرابی بهمن همچنین در مدارهایی استفاده می شود که از دستگاه های الکترونیکی در برابر آسیب دیدن توسط ولتاژ بیش از حد محافظت می کند.

در این مدارها دستگاهی که قرار است محافظت شود به صورت سری با دیود بهمنی متصل می شود.

هنگامی که ولتاژ در سراسر دستگاه از ولتاژ شکست دیود بیشتر باشد، دیود به منطقه شکست بهمن می رود، که ولتاژ را در سراسر دستگاه محافظت شده محدود می کند.

مدارهای مرجع ولتاژ

در مدارهای مرجع ولتاژ، از خرابی بهمن برای اطمینان از پایداری و دقت ولتاژ مرجع استفاده می شود.

به عنوان مرجع ولتاژ، یک دیود بهمنی با بایاس معکوس در این مدارها استفاده می شود.

ولتاژ شکست دیود بسیار پایدار است و بستگی به میزان دوپینگی دارد که هنگام ساخت آن انجام می شود. این باعث می شود ولتاژ مرجع عالی برای برنامه هایی که نیاز به دقت بالایی دارند.

منابع فعلی

شکست بهمن در منابع جریانی که نیاز به جریان پایدار است، مانند ابزار دقیق و مدارهای اندازه گیری استفاده می شود.

در این مدارها یک دیود بهمنی به صورت سری با یک مقاومت متصل می شود.

ولتاژ شکست دیود و مقدار مقاومت تعیین می کند که چه مقدار جریان از مدار عبور می کند.

کنترل و پیشگیری از فروپاشی بهمن

در مدارهای الکترونیکی، راه‌های مختلفی برای توقف یا کنترل خرابی بهمن وجود دارد.

دیودهای بهمنی

دیود بهمن یکی از راه های جلوگیری از شکستن بهمن است. دیودهای بهمنی برای کار در ناحیه خرابی معکوس ساخته می شوند و از آنها برای محافظت از مدارها در برابر ولتاژهایی که نمی خواهند استفاده می شوند.

محل اتصال یک دیود بهمن طوری ساخته شده است که در کل اتصال به طور یکنواخت شکسته شود. این امر از تمرکز جریان و ایجاد نقاط داغ جلوگیری می کند.

برخلاف دیودهای غیر بهمنی، ولتاژ شکست یک دیود بهمن تقریباً با تغییر جریان ثابت می ماند.

دستگاه های سرکوب گذرا و بستن ولتاژ

مدارهای الکترونیکی را نیز می توان با کمک دستگاه های سرکوب کننده گذرا و بستن ولتاژ از خرابی بهمن ایمن کرد.

دیودهای زنر اغلب برای بستن ولتاژ استفاده می شوند.

هنگامی که از دو دیود زنر با ولتاژ شکست معکوس یکسان استفاده می شود، یک ولتاژ گذرا از هر دو قطب در همان سطح ولتاژ زنر گیره می یابد.

ماسفت ها

زمانی که ولتاژی بالاتر از ولتاژ خرابی ماسفت باشد، می تواند به حالت بهمنی نیز برود که می تواند مشکلاتی را ایجاد کند.

با طراحی مدار خوب و انتخاب دقیق ماسفت ها با درجه بندی ولتاژ مناسب می توان از خرابی بهمن در ماسفت ها جلوگیری کرد.

راه های اضافی برای جلوگیری از فروپاشی بهمن

راه های بیشتری برای جلوگیری از خرابی بهمن در مدارهای الکترونیکی وجود دارد تا فقط استفاده از دیودهای بهمن، دستگاه های سرکوب گذرا، بستن ولتاژ و انتخاب دقیق ماسفت ها.

در اینجا به برخی از آنها اشاره می کنیم:

نکته پیشگیری:	شرح:
تنظیم سطح دوپینگ دیود	ولتاژ شکست یک دیود به میزان دوپینگی که هنگام ساخت آن استفاده می شود بستگی دارد. با تغییر سطح دوپینگ، می توانید ولتاژ شکست بهمن را افزایش دهید و از وقوع شکست بهمن جلوگیری کنید.
افزایش ضخامت ناحیه تخلیه	غلظت دوپینگ و ولتاژ بایاس بر ضخامت ناحیه تخلیه در یک دیود تأثیر می گذارد. با ضخیم تر کردن منطقه تخلیه، می توان ولتاژ شکست بهمن را افزایش داد و شکست بهمن را متوقف کرد.
اتلاف حرارت مناسب	گرمای بیش از حد می تواند دیودها را خراب کند و باعث از کار افتادن آنها شود. سینک های حرارتی و راه های دیگر برای خنک کردن اشیا می توانند به جلوگیری از شکستن بهمن کمک کنند.
فیوز و محافظ برق	فیوزها و محافظ های ولتاژ به محافظت از مدارهای الکترونیکی در برابر نوسانات ولتاژ و سایر رویدادهای گذرا که می تواند باعث خرابی بهمن شود کمک می کند.

ولتاژ و خرابی بهمن

قدرت دی الکتریک و ولتاژ شکست

توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر استرس الکتریکی بدون شکستن و تبدیل شدن به رسانایی با قدرت دی الکتریک آن اندازه گیری می شود. ولت بر سانتی متر یک روش معمول برای اندازه گیری آن است.

احتمال خرابی در این ولتاژ به قدری کم است که می توان با این فرض که در این ولتاژ شکسته نمی شود، عایق بندی کرد.

ولتاژ شکست AC و ولتاژ شکست ضربه ای هر دو روشی برای اندازه گیری قدرت دی الکتریک یک ماده هستند.

ولتاژ متناوب فرکانس خط شبکه است، در حالی که ولتاژ شکست ضربه ای، صاعقه را تقلید می کند.

معمولاً 1.2 میکروثانیه طول می کشد تا موج به دامنه 90 درصد برسد و سپس 50 میکروثانیه طول می کشد تا به دامنه 50 درصد برگردد.

نتیجه

در نتیجه، شکست بهمن و ولتاژ ممکن است ایده های پیچیده ای به نظر برسد که فقط متخصصان می توانند آن را درک کنند، اما هر دو بخش مهمی از الکترونیک مدرن هستند.

مهندسان با دانستن اینکه این چیزها چگونه کار می کنند و چگونه می توان از آنها در دستگاه های الکترونیکی استفاده کرد، می توانند طرح هایی بسازند که کارآمدتر و منحصر به فرد باشند.

مطالعه ولتاژ و خرابی بهمن ممکن است حتی مهم‌تر باشد زیرا نشان می‌دهد که الکترونیک چقدر می‌تواند قدرتمند و مفید باشد.

به راحتی می‌توان ابزارها و ماشین‌هایی را که هر روز استفاده می‌کنیم، بدیهی دانست، اما فکر کردن به نیروهای شگفت‌انگیز موجود در آنها شگفت‌انگیز است.

بنابراین، همانطور که به یادگیری در مورد مهندسی ادامه می دهید، فراموش نکنید که از هوشمندی و خلاقیتی که در ساخت فناوری ما هر روز استفاده می کنیم شگفت زده شوید.

کی میتونه بگه؟ شاید شما باشید که چیز بزرگ بعدی را در خرابی بهمن یا ولتاژ پیدا می کنید، که به اتفاقات بزرگتری در آینده منجر می شود.