Ako ste student strojarstva ili inženjer, vjerojatno znate koliko je napon važan u elektronici.
Ali Å”to je s lavinskim naponom? Ova zanimljiva stvar se dogaÄa kada pn poluvodiÄki spoj ima nagli porast struje, Å”to uzrokuje raspad materijala.
Iako zvuÄi kao razorna sila, lavinski kvar je danas važan dio mnogih elektroniÄkih ureÄaja, poput fotodioda i Zener dioda.
Razumijevanje lavinskog napona i naÄina na koji se on može koristiti u stvarnom životu može promijeniti igru āāza inženjere i pomoÄi im da naprave bolje, uÄinkovitije dizajne.
Dakle, poÄite s nama dok govorim o fascinantnom svijetu lavinskog napona i kako on utjeÄe na polje inženjerstva.
Formalna definicija:
Reverzni napon potreban da izazove lavinski proboj u pn poluvodiÄkom spoju.
Lavinski napon i Ŕirina osiromaŔenog sloja
Lavinski napon je napon pri kojem dolazi do lavinskog proboja diode pn spoja.
Kada se reverzni prednapon postavi na blago dopirani pn spoj, elektriÄno polje ubrzava elektrone u osiromaÅ”enom sloju, dajuÄi im veliku brzinu.
Ta energija može uzrokovati ionizaciju atoma u kristalnoj reŔetki, Ŕto rezultira velikim protokom struje.
Odnos izmeÄu Å”irine osiromaÅ”enog sloja i napona lavine
Lavinski napon diode povezan je sa Å”irinom osiromaÅ”enog sloja u poluvodiÄkom spoju.
Dio pn spoja gdje nema slobodnih nositelja naboja naziva se osiromaŔeni sloj.
Nastaje kada se manjinski nosioci kreÄu preko pn spoja. To Äini regiju s neto naknadom koja sprjeÄava viÅ”e manjinskih prijevoznika da se presele.
Koliko je Å”irok osiromaÅ”eni sloj ovisi o koliÄini dopinga i prednaponu koji se koristi. Diode s visokim probojnim naponima su slabo dopirane, Å”to Äini osiromaÅ”ene slojeve koji su Å”iroki.
Diode s niskim probojnim naponom, s druge strane, jako su dopirane, Å”to Äini osiromaÅ”ene slojeve koji su uski.
Lavinski napon Äe biti veÄi ako je osiromaÅ”eni sloj veÄi. To je zato Å”to Å”iri osiromaÅ”eni slojevi imaju veÄe elektriÄno polje, Å”to ubrzava elektrone do veÄih brzina.
To uzrokuje da viÅ”e elektrona postane iona, pa je probojni napon veÄi.
Razmatranja dizajna
Kod izrade pn spojnih dioda važno je razmiÅ”ljati o odnosu izmeÄu lavinskog napona i Å”irine osiromaÅ”enog sloja.
Dioda s visokim probojnim naponom korisna je za mnoge stvari, poput regulacije napona i preokretanja toka snage.
Da bi se postigao visok probojni napon, osiromaÅ”eni sloj mora biti Å”irok, Å”to se može postiÄi koriÅ”tenjem slabo dopiranog poluvodiÄkog materijala.
Ukratko, napon lavine je napon pri kojem slom lavine uzrokuje kvar diode pn spoja.
Napon lavine povezan je sa Å”irinom osiromaÅ”enog sloja jer utjeÄe na napon pri kojem se dioda raspada.
Razumijevanje odnosa izmeÄu lavinskog napona i Å”irine osiromaÅ”enog sloja važno je za projektiranje i optimiziranje pn spojnih dioda za razliÄite namjene.
Lavinski proboj u spojevima PN poluvodiÄa
Lavinski slom je proces koji se dogaÄa kada je reverzni napon preko blago dopiranog pn spoja viÅ”i od odreÄene razine, koja se naziva probojni napon.
Pri ovom naponu, elektriÄno polje na spoju je dovoljno jako da gurne elektrone i oslobodi ih njihovih kovalentnih veza.
Slobodni elektroni tada udaraju u druge atome u ureÄaju, oslobaÄajuÄi joÅ” elektrona i uzrokujuÄi lavinu struje.
To se zove "množenje nositelja" i uzrokuje znaÄajno poveÄanje protoka struje kroz pn spoj.
Mehanizam lavinskog proboja i usporedba sa Zenerovim probojem
Lavinski slom dogaÄa se kada slobodni elektroni i atomi u ureÄaju sudare jedni s drugima.
Zenerov proboj, s druge strane, uzrokuje jako elektriÄno polje preko pn spoja.
I lavinski slom i Zenerov slom ukljuÄuju stvaranje i kretanje elektrona i rupa unutar poluvodiÄkog materijala.
Ali najveÄa razlika izmeÄu dvije vrste sloma je naÄin na koji je napravljen par elektron-Å”upljina.
Razlike izmeÄu Avalanche i Zener Breakdowns
Lavinski slom je ireverzibilan i dogaÄa se pri viÅ”em povratnom naponu od Zenerovog sloma.
Probojni napon kontrolira se koliÄinom dopinga u poluvodiÄkom materijalu.
Kako koliÄina dopinga raste, raste i koeficijent temperature lavinske metode i veliÄina probojnog napona.
Lavinski slom dogaÄa se u materijalima s malom koliÄinom dopinga, dok se Zenerov slom dogaÄa u materijalima s puno dopinga.
Spoj diode neÄe se vratiti tamo gdje je bio nakon lavinskog kvara, ali Äe se vratiti tamo gdje je bio nakon Zenerovog kvara.
Lavinski proboji se dogaÄaju u debelim dijelovima poluvodiÄkog materijala, dok se Zenerovi proboji dogaÄaju u tankim dijelovima.
Vrijedno je napomenuti da se obje vrste kvara vjerojatno neÄe dogoditi u isto vrijeme.
Svaku vrstu kvara uzrokuju razliÄite stvari i malo je vjerojatno da Äe se oboje dogoditi u isto vrijeme.
Video: Razumijevanje efekta lavine: uvod
Savjet: UkljuÄite tipku titlova ako vam je potrebna. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu postavki, ako niste upoznati s engleskim jezikom. Možda Äete prvo morati kliknuti na jezik videozapisa prije nego Å”to vaÅ” omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.
PraktiÄne primjene lavinskog sloma
Lavinski slom je pojava koja se može dogoditi i kod izolacijskih i kod poluvodiÄkih materijala.
Tada velika struja može teÄi kroz materijale koji su inaÄe dobri izolatori.
Proces se može koristiti u elektroniÄkim ureÄajima za obavljanje korisnih stvari poput zaustavljanja prenapona, zaÅ”tite od prenapona, koriÅ”tenja kao referentnog napona i stvaranja izvora struje.
Suzbijanje prenapona
U krugovima za suzbijanje prenapona, lavinski kvar se koristi za zaÅ”titu elektroniÄkih ureÄaja od skokova napona uzrokovanih udarima groma, elektromagnetskim impulsima ili drugim stvarima.
U tom sluÄaju se ureÄaj koji se Å”titi spaja paralelno s lavinskom diodom.
Kada je napon na ureÄaju viÅ”i od napona proboja diode, dioda prelazi u podruÄje lavinskog proboja, Å”to oduzima dodatni napon iz ureÄaja koji se Å”titi.
Time se sprjeÄava da val elektriÄne energije oÅ”teti ureÄaj.
ZaŔtitni krugovi od prenapona
Lavinski slom se takoÄer koristi u krugovima koji Å”tite elektroniÄke ureÄaje od oÅ”teÄenja previsokim naponom.
U ovim krugovima, ureÄaj koji se Å”titi je spojen u seriju s lavinskom diodom.
Kada je napon na ureÄaju viÅ”i od napona proboja diode, dioda prelazi u podruÄje lavinskog proboja, Å”to ograniÄava napon na ureÄaju koji se Å”titi.
Referentni krugovi napona
U krugovima referentnog napona koristi se lavinski proboj kako bi se osiguralo da je referentni napon stabilan i toÄan.
Kao referentni napon, u tim se krugovima koristi lavinska dioda s prednaponom unatrag.
Probojni napon diode je vrlo stabilan i ovisi o tome koliko je doping uÄinjeno kada se napravi. To ga Äini izvrsnim referentnim naponom za aplikacije koje zahtijevaju visoku toÄnost.
Trenutni izvori
Lavinski slom koristi se u izvorima struje gdje je potrebna stabilna struja, kao Ŕto su precizni instrumenti i mjerni krugovi.
U tim je krugovima lavinska dioda spojena u seriju s otpornikom.
Probojni napon diode i vrijednost otpornika odreÄuju koliko struje teÄe kroz krug.
Kontrola i prevencija lavina
U elektroniÄkim krugovima postoji viÅ”e naÄina za zaustavljanje ili kontrolu lavinskog kvara.
Lavinske diode
Lavinska dioda jedan je od naÄina da se sprijeÄi pucanje lavine. Lavinske diode su napravljene da rade u reverznom podruÄju proboja i koriste se za zaÅ”titu krugova od nepoželjnih napona.
Spoj lavinske diode napravljen je tako da se ravnomjerno raspada po cijelom spoju. To sprjeÄava koncentraciju struje i stvaranje vruÄih toÄaka.
Za razliku od nelavinske diode, probojni napon lavinske diode ostaje gotovo isti kako se mijenja struja.
UreÄaji za suzbijanje prijelaznih pojava i stezanje napona
ElektroniÄki sklopovi takoÄer se mogu uÄiniti sigurnima od lavinskog kvara uz pomoÄ ureÄaja za suzbijanje prijelaznih pojava i naponskih stezanja.
Zener diode se Äesto koriste za stezanje napona.
Kada se koriste dvije zener diode s istim reverznim probojnim naponom, prijelazni napon bilo kojeg polariteta bit Äe ograniÄen na istu razinu zener napona.
MOSFET-ovi
Kada je napon viÅ”i od probojnog napona MOSFET-a, on takoÄer može prijeÄi u lavinski naÄin rada, Å”to može uzrokovati probleme.
Lavinski kvar MOSFET-a može se izbjeÄi dobrim dizajnom strujnog kruga i pažljivim izborom MOSFET-a s odgovarajuÄim naponskim vrijednostima.
Dodatni naÄini za sprjeÄavanje sloma lavine
Postoji viÅ”e naÄina za zaustavljanje lavinskog kvara u elektroniÄkim krugovima od puke upotrebe lavinskih dioda, ureÄaja za suzbijanje prijelaznih pojava, stezanja napona i pažljivog odabira MOSFET-a.
Ovo su neki od njih:
| Savjet za prevenciju: | Opis: |
|---|---|
| PodeÅ”avanje razine dopinga diode | Probojni napon diode ovisi o tome koliko je dopinga koriÅ”teno kada je napravljena. Promjenom razine dopinga možete podiÄi napon lavinskog proboja i sprijeÄiti lavinski proboj. |
| PoveÄanje debljine regije iscrpljenosti | Koncentracija dopinga i prednapon utjeÄu na debljinu osiromaÅ”enog podruÄja u diodi. Podebljavanjem podruÄja osiromaÅ”enja može se podiÄi napon lavinskog proboja i zaustaviti lavinski proboj. |
| Pravilno odvoÄenje topline | PreviÅ”e topline može pokvariti diode i uzrokovati njihov kvar. Hladnjaci i drugi naÄini za hlaÄenje stvari mogu pomoÄi da se lavina ne sruÅ”i. |
| OsiguraÄi i prenaponske zaÅ”tite | OsiguraÄi i prenaponski zaÅ”titnici pomažu u zaÅ”titi elektroniÄkih sklopova od naponskih udara i drugih prolaznih dogaÄaja koji mogu uzrokovati lavinski kvar. |
Napon i lavinski slom
DielektriÄna ÄvrstoÄa i probojni napon
Sposobnost materijala da izdrži elektriÄno naprezanje, a da se ne pokvari i ne postane vodljiv, mjeri se njegovom dielektriÄnom ÄvrstoÄom. Volti po centimetru uobiÄajeni su naÄin za mjerenje.
Vjerojatnost kvara pri ovom naponu dovoljno je niska da se izolacija može napraviti uz pretpostavku da neÄe puknuti pri tom naponu.
AC probojni naponi i impulsni probojni naponi su oba naÄina za mjerenje dielektriÄne ÄvrstoÄe materijala.
IzmjeniÄni napon je mrežna frekvencija, dok impulsni probojni napon oponaÅ”a udar groma.
Valu je obiÄno potrebno 1,2 mikrosekunde da poraste na amplitudu od 90%, zatim 50 mikrosekundi da se vrati na amplitudu od 50%.
ZakljuÄak
ZakljuÄno, lavinski kvar i napon mogu izgledati kao komplicirane ideje koje samo struÄnjaci mogu razumjeti, ali oboje su važni dijelovi moderne elektronike.
ZnajuÄi kako te stvari funkcioniraju i kako se mogu koristiti u elektroniÄkim ureÄajima, inženjeri mogu izraditi dizajne koji su uÄinkovitiji i jedinstveniji.
ProuÄavanje lavinskog napona i proboja moglo bi biti joÅ” važnije jer pokazuje koliko elektronika može biti moÄna i korisna.
Lako je uzeti alate i strojeve koje svakodnevno koristimo zdravo za gotovo, ali nevjerojatno je razmiŔljati o nevjerojatnim silama koje djeluju u njima.
Dakle, dok nastavljate uÄiti o inženjerstvu, ne zaboravite biti zadivljeni domiÅ”ljatoÅ”Äu i kreativnoÅ”Äu koji se koriste u izradi tehnologije koju koristimo svaki dan.
Tko može reÄi? Možda Äete vi biti taj koji Äe pronaÄi sljedeÄu veliku stvar u lavinskom kvaru ili naponu, Å”to Äe dovesti do joÅ” veÄih stvari u buduÄnosti.
Dijeliā¦
