Jei esate inžinieriaus studentas arba inžinierius, tikriausiai žinote, kokia svarbi įtampa yra elektronikoje.
Bet kaip su lavinos įtampa? Šis įdomus dalykas atsitinka, kai pn puslaidininkių sandūroje staiga padidėja srovė, dėl kurios medžiaga suyra.
Nors tai skamba kaip griaunanti jėga, lavinos gedimas dabar yra svarbi daugelio elektroninių prietaisų, tokių kaip fotodiodai ir Zenerio diodai, dalis.
Supratimas apie lavinos įtampą ir jos panaudojimą realiame gyvenime gali pakeisti inžinierių žaidimą ir padėti sukurti geresnius, efektyvesnius projektus.
Taigi, būkite kartu su mumis, kai kalbu apie žavų lavinų įtampos pasaulį ir kaip tai veikia inžinerijos sritį.
Oficialus apibrėžimas:
Atvirkštinė įtampa, reikalinga pn puslaidininkių sandūroje sukelti laviną.
Lavinos įtampos ir išeikvojimo sluoksnio plotis
Lavinos įtampa yra įtampa, kuriai esant pn sandūros diode įvyksta lavinos gedimas.
Kai atvirkštinis poslinkis dedamas ant lengvai legiruoto pn sandūros, elektrinis laukas pagreitina elektronus išeikvojimo sluoksnyje, suteikdamas jiems didelį greitį.
Ši energija gali sukelti kristalų gardelėje esančių atomų jonizaciją, dėl kurios susidaro didelis srovės srautas.
Ryšys tarp išeikvojimo sluoksnio pločio ir lavinos įtampos
Diodo lavinos įtampa yra susijusi su išsekimo sluoksnio pločiu puslaidininkių sandūroje.
Ta pn sandūros dalis, kurioje nėra laisvųjų krūvininkų, vadinama išsekimo sluoksniu.
Jis daromas, kai mažumos nešėjai juda per pn sankryžą. Tai sukuria regioną su grynuoju mokesčiu, kuris neleidžia judėti daugiau mažumos vežėjų.
Išeikvojimo sluoksnio plotis priklauso nuo dopingo kiekio ir naudojamos šališkumo įtampos. Diodai su aukšta gedimo įtampa yra lengvai legiruoti, todėl išeikvojimo sluoksniai yra platūs.
Kita vertus, diodai su maža gedimo įtampa yra stipriai legiruoti, todėl išeikvojimo sluoksniai yra siauri.
Lavinos įtampa bus didesnė, jei išsekimo sluoksnis yra didesnis. Taip yra todėl, kad platesni išsekimo sluoksniai turi didesnį elektrinį lauką, kuris pagreitina elektronus iki didesnio greičio.
Dėl to daugiau elektronų tampa jonais, todėl skilimo įtampa yra didesnė.
Dizaino svarstymai
Gaminant pn sandūros diodus, svarbu pagalvoti apie ryšį tarp lavinos įtampos ir išsekimo sluoksnio pločio.
Diodas su aukšta gedimo įtampa yra naudingas daugeliui dalykų, pavyzdžiui, reguliuoti įtampą ir pakeisti galios srautą.
Norint pasiekti aukštą gedimo įtampą, išsekimo sluoksnis turi būti platus, o tai galima padaryti naudojant lengvai legiruotą puslaidininkinę medžiagą.
Trumpai tariant, lavinos įtampa yra įtampa, kuriai esant lavinos skilimui sugenda pn sandūros diodas.
Lavinos įtampa yra susieta su išsekimo sluoksnio pločiu, nes ji veikia įtampą, kuriai esant diodas sugenda.
Suprasti ryšį tarp lavinos įtampos ir išeikvojimo sluoksnio pločio svarbu projektuojant ir optimizuojant pn sandūros diodus įvairioms reikmėms.
Lavinos gedimas PN puslaidininkių sandūrose
Lavinos gedimas yra procesas, kuris įvyksta, kai atvirkštinė įtampa lengvai legiruotoje pn sandūroje yra didesnė už tam tikrą lygį, vadinamą gedimo įtampa.
Esant tokiai įtampai, elektrinis laukas sankryžoje yra pakankamai stiprus, kad stumtų elektronus ir išlaisvintų juos iš kovalentinių ryšių.
Tada laisvieji elektronai atsitrenkia į kitus įrenginio atomus, išlaisvindami daugiau elektronų ir sukeldami srovės laviną.
Tai vadinama „nešiklio daugyba“, todėl srovės srautas per pn sandūrą žymiai padidėja.
Lavinos suskaidymo mechanizmas ir palyginimas su Zenerio suskirstymu
Lavinos suskaidymas įvyksta, kai įrenginyje esantys laisvieji elektronai ir atomai atsitrenkia vienas į kitą.
Kita vertus, Zenerio gedimą sukelia stiprus elektrinis laukas per pn sandūrą.
Tiek lavinos, tiek Zenerio gedimas susijęs su elektronų ir skylių susidarymu ir judėjimu puslaidininkinėje medžiagoje.
Tačiau didžiausias skirtumas tarp dviejų gedimo tipų yra tai, kaip sukuriama elektronų ir skylių pora.
Skirtumai tarp Avalanche ir Zener Breakdowns
Lavinos gedimas yra negrįžtamas ir įvyksta esant didesnei atvirkštinei įtampai nei Zenerio gedimas.
Pertraukimo įtampą kontroliuoja puslaidininkinėje medžiagoje esantis dopingo kiekis.
Didėjant dopingo kiekiui, didėja ir lavininio metodo temperatūros koeficientas, ir gedimo įtampos dydis.
Lavinos skilimas įvyksta medžiagose, kuriose yra nedidelis dopingo kiekis, o Zenerio skilimas įvyksta medžiagose, kuriose yra daug dopingo.
Diodo sandūra negrįš ten, kur buvo po griūties, bet grįš ten, kur buvo po Zenerio gedimo.
Lavinos gedimai įvyksta storose puslaidininkinės medžiagos dalyse, o Zenerio gedimai įvyksta plonose dalyse.
Verta paminėti, kad abiejų tipų gedimai greičiausiai neįvyks vienu metu.
Kiekvieno tipo gedimus sukelia skirtingi dalykai, ir mažai tikėtina, kad abu įvyks vienu metu.
Vaizdo įrašas: lavinos efekto supratimas: įvadas
Patarimas: jei reikia, įjunkite antraštės mygtuką. Jei nesate susipažinę su anglų kalba, nustatymų mygtuke pasirinkite „automatinis vertimas“. Gali tekti pirmiausia spustelėti vaizdo įrašo kalbą, kad jūsų mėgstamiausia kalba taptų prieinama versti.
Praktiniai lavinų sunaikinimo pritaikymai
Lavinos gedimas yra reiškinys, kuris gali įvykti tiek izoliacinėse, tiek puslaidininkinėse medžiagose.
Tai yra tada, kai didelė srovė gali tekėti per medžiagas, kurios paprastai yra geros izoliacijos.
Šis procesas gali būti naudojamas elektroniniuose įrenginiuose, norint atlikti naudingus dalykus, pavyzdžiui, sustabdyti viršįtampius, apsaugoti nuo viršįtampių, naudoti kaip įtampos atskaitos tašką ir sukurti srovės šaltinius.
Viršįtampių slopinimas
Viršįtampių slopinimo grandinėse lavinų gedimas naudojamas elektroniniams prietaisams apsaugoti nuo įtampos šuolių, atsirandančių dėl žaibo smūgių, elektromagnetinių impulsų ar kitų dalykų.
Šiuo atveju saugotinas įrenginys lygiagrečiai jungiamas su lavinos diodu.
Kai įtampa visame įrenginyje yra didesnė už diodo gedimo įtampą, diodas patenka į lavinos gedimo sritį, o tai pašalina papildomą įtampą nuo apsaugoto įrenginio.
Taip elektros srovės antplūdis nepakenks įrenginiui.
Apsaugos nuo viršįtampio grandinės
Lavinos gedimas taip pat naudojamas grandinėse, kurios apsaugo elektroninius prietaisus nuo per didelės įtampos sugadinimo.
Šiose grandinėse saugomas įrenginys nuosekliai jungiamas su lavinos diodu.
Kai įtampa įrenginyje yra didesnė už diodo gedimo įtampą, diodas patenka į lavinos gedimo sritį, o tai riboja saugomo įrenginio įtampą.
Įtampos atskaitos grandinės
Įtampos atskaitos grandinėse naudojamas lavinos suskaidymas, siekiant užtikrinti, kad etaloninė įtampa būtų stabili ir tiksli.
Kaip atskaitos įtampa šiose grandinėse naudojamas lavinos diodas su atgaliniu poslinkiu.
Diodo gedimo įtampa yra labai stabili ir priklauso nuo to, kiek dopingo daroma jį gaminant. Dėl to tai puiki atskaitos įtampa programoms, kurioms reikalingas didelis tikslumas.
Dabartiniai šaltiniai
Lavinos suskaidymas naudojamas srovės šaltiniuose, kur reikalinga stabili srovė, pvz., tiksliuose prietaisuose ir matavimo grandinėse.
Šiose grandinėse lavinos diodas yra nuosekliai sujungtas su rezistoriumi.
Diodo gedimo įtampa ir rezistoriaus vertė lemia, kiek srovė teka per grandinę.
Lavinos skilimo kontrolė ir prevencija
Elektroninėse grandinėse yra keletas būdų, kaip sustabdyti arba kontroliuoti lavinų gedimą.
Lavinos diodai
Lavinos diodas yra vienas iš būdų sustabdyti lavinos nutrūkimą. Lavinos diodai yra sukurti veikti atvirkštinio gedimo srityje ir naudojami grandinėms apsaugoti nuo nepageidaujamų įtampų.
Lavinos diodo sandūra sukurta taip, kad tolygiai suirtų visoje sankryžoje. Tai apsaugo nuo srovės susikaupimo ir karštų taškų susidarymo.
Priešingai nei lavinos diodo, lavinos diodo gedimo įtampa išlieka beveik tokia pati, kaip keičiasi srovė.
Pereinamojo laikotarpio slopinimo įtaisai ir įtampos fiksavimas
Elektroninės grandinės taip pat gali būti apsaugotos nuo griūties, naudojant trumpalaikius slopinimo įtaisus ir įtampos fiksavimą.
Zenerio diodai dažnai naudojami įtampai užfiksuoti.
Kai naudojami du zenerio diodai su ta pačia atvirkštine skilimo įtampa, bet kurio poliškumo pereinamoji įtampa bus užfiksuota tuo pačiu zenerio įtampos lygiu.
MOSFET
Kai įtampa yra didesnė už MOSFET gedimo įtampą, ji taip pat gali pereiti į lavinos režimą, o tai gali sukelti problemų.
MOSFET lavinos gedimo galima išvengti gerai suprojektavus grandinę ir kruopščiai parenkant MOSFET, kurių įtampa yra tinkama.
Papildomi būdai, kaip užkirsti kelią lavinoms
Yra daugiau būdų sustabdyti lavinų gedimą elektroninėse grandinėse, nei naudojant lavinų diodus, trumpalaikius slopinimo įrenginius, įtampos fiksavimą ir kruopštų MOSFET pasirinkimą.
Štai keletas iš jų:
| Prevencijos patarimas: | Apibūdinimas: |
|---|---|
| Diodo dopingo lygio reguliavimas | Diodo gedimo įtampa priklauso nuo to, kiek dopingo sunaudojama jį gaminant. Pakeitę dopingo lygį, galite padidinti lavinos gedimo įtampą ir sustabdyti lavinos gedimą. |
| Išsekimo srities storio didinimas | Dopingo koncentracija ir poslinkio įtampa turi įtakos diodo išeikvojimo srities storiui. Padidinus išeikvojimo sritį, galima padidinti lavinos gedimo įtampą ir sustabdyti lavinos gedimą. |
| Tinkamas šilumos išsklaidymas | Per daug šilumos gali sugesti diodai ir jie gali sugesti. Aušinimo kriauklės ir kiti daiktų atvėsinimo būdai gali padėti apsaugoti nuo lavinos. |
| Saugikliai ir apsauga nuo viršįtampių | Saugikliai ir apsauga nuo viršįtampių padeda apsaugoti elektronines grandines nuo įtampos šuolių ir kitų trumpalaikių įvykių, galinčių sukelti lavinos gedimą. |
Įtampa ir lavinos gedimas
Dielektrinė stipris ir skilimo įtampa
Medžiagos gebėjimas atlaikyti elektrinį įtempį nesuiriant ir netapiant laidiu matuojamas pagal jos dielektrinį stiprumą. Voltai per centimetrą yra įprastas būdas jį išmatuoti.
Gedimo tikimybė esant tokiai įtampai yra pakankamai maža, kad izoliaciją būtų galima padaryti darant prielaidą, kad esant tokiai įtampai ji nenutrūks.
Kintamosios srovės skilimo įtampa ir impulsinė skilimo įtampa yra abu būdai matuoti medžiagos dielektrinį stiprumą.
Kintamosios srovės įtampa yra tinklo linijos dažnis, o impulsų trūkimo įtampa imituoja žaibo smūgį.
Paprastai bangai reikia 1,2 mikrosekundės, kad pakiltų iki 90% amplitudės, tada 50 mikrosekundžių, kad sumažėtų iki 50% amplitudės.
Išvada
Apibendrinant galima pasakyti, kad griūtis ir įtampa gali atrodyti kaip sudėtingos idėjos, kurias gali suprasti tik ekspertai, tačiau jie abu yra svarbios šiuolaikinės elektronikos dalys.
Žinodami, kaip šie dalykai veikia ir kaip juos galima naudoti elektroniniuose įrenginiuose, inžinieriai gali sukurti efektyvesnius ir unikalesnius dizainus.
Lavinos įtampos ir gedimo tyrimas gali būti dar svarbesnis, nes parodo, kokia galinga ir naudinga gali būti elektronika.
Kasdien naudojamus įrankius ir mašinas lengva laikyti savaime suprantamu dalyku, tačiau nuostabu pagalvoti apie nuostabias jų viduje veikiančias jėgas.
Taigi, mokydamiesi apie inžineriją, nepamirškite stebėtis sumanumo ir kūrybiškumo, kurie naudojami kuriant technologijas, kurias naudojame kasdien.
Kas gali pasakyti? Galbūt jūs būsite tas, kuris suras kitą didelį dalyką dėl lavinos gedimo ar įtampos, o tai ateityje sukels dar didesnius dalykus.
Pasidalinti…
