Ja esat inženierzinātņu students vai inženieris, jūs droši vien zināt, cik svarīgs elektronikā ir spriegums.
Bet kā ar lavīnas spriegumu? Šī interesantā lieta notiek, kad pn pusvadītāju savienojumam pēkšņi palielinās strāva, kas izraisa materiāla sadalīšanos.
Lai gan tas izklausās pēc destruktīva spēka, lavīnu sabrukšana tagad ir svarīga daudzu elektronisko ierīču, piemēram, fotodiožu un Zenera diožu, sastāvdaļa.
Izpratne par lavīnas spriegumu un to, kā to var izmantot reālajā dzīvē, var mainīt inženierus un palīdzēt viņiem izveidot labākus un efektīvākus dizainus.
Tātad, nāciet kopā ar mums, kad es runāju par aizraujošo lavīnas sprieguma pasauli un to, kā tas ietekmē inženierijas jomu.
Formālā definīcija:
Apgrieztais spriegums, kas nepieciešams, lai izraisītu lavīnas sabrukšanu pn pusvadītāju savienojumā.
Lavīnas sprieguma un izsīkuma slāņa platums
Lavīnas spriegums ir spriegums, pie kura pn savienojuma diodē notiek lavīnas sadalīšanās.
Ja uz viegli leģēta pn krustojuma tiek uzlikta apgrieztā nobīde, elektriskais lauks paātrina elektronus noplicināšanas slānī, nodrošinot tiem lielu ātrumu.
Šī enerģija var izraisīt atomu jonizāciju kristāla režģī, kā rezultātā rodas liela strāvas plūsma.
Saistība starp noplicināšanas slāņa platumu un lavīnas spriegumu
Diodes lavīnas spriegums ir saistīts ar noplicināšanas slāņa platumu pusvadītāju savienojumā.
To pn savienojuma daļu, kurā nav brīvu lādiņnesēju, sauc par noplicināšanas slāni.
Tas tiek veikts, kad mazākuma nesēji pārvietojas pāri pn krustojumam. Tas padara reģionu ar neto maksu, kas aptur mazākuma pārvadātāju pārvietošanos.
Tas, cik plats ir noplicināšanas slānis, ir atkarīgs no dopinga daudzuma un izmantotā novirzes sprieguma. Diodes ar augstu pārrāvuma spriegumu ir viegli leģētas, kas padara noplicināšanas slāņus platus.
No otras puses, diodes ar zemu pārrāvuma spriegumu ir stipri leģētas, kas padara noplicināšanas slāņus šaurus.
Lavīnas spriegums būs lielāks, ja noplicināšanas slānis ir lielāks. Tas ir tāpēc, ka plašākiem noplicināšanas slāņiem ir lielāks elektriskais lauks, kas paātrina elektronus līdz lielākam ātrumam.
Tas liek vairāk elektronu kļūt par joniem, tāpēc pārrāvuma spriegums ir lielāks.
Dizaina apsvērumi
Izgatavojot pn savienojuma diodes, ir svarīgi padomāt par saistību starp lavīnas spriegumu un noplicināšanas slāņa platumu.
Diode ar augstu pārrāvuma spriegumu ir noderīga daudzām lietām, piemēram, sprieguma regulēšanai un jaudas plūsmas maiņai.
Lai sasniegtu augstu pārrāvuma spriegumu, noplicināšanas slānim jābūt platam, ko var panākt, izmantojot viegli leģētu pusvadītāju materiālu.
Īsāk sakot, lavīnas spriegums ir spriegums, pie kura lavīnas pārrāvums izraisa pn savienojuma diodes noārdīšanos.
Lavīnas spriegums ir saistīts ar noplicināšanas slāņa platumu, jo tas ietekmē spriegumu, pie kura diode sabojājas.
Izpratne par saistību starp lavīnas spriegumu un noplicināšanas slāņa platumu ir svarīga, lai projektētu un optimizētu pn savienojuma diodes dažādiem lietojumiem.
Lavīnu sabrukums PN pusvadītāju krustojumos
Lavīnas pārrāvums ir process, kas notiek, ja apgrieztais spriegums viegli leģētā pn krustojumā ir augstāks par noteiktu līmeni, ko sauc par pārrāvuma spriegumu.
Pie šī sprieguma elektriskais lauks krustojumā ir pietiekami spēcīgs, lai uzspiestu elektronus un atbrīvotu tos no kovalentajām saitēm.
Pēc tam brīvie elektroni ietriecas citos ierīces atomos, atbrīvojot vairāk elektronu un izraisot strāvas lavīnu.
To sauc par "nesēja reizināšanu", un tas izraisa ievērojamu strāvas plūsmas palielināšanos caur pn krustojumu.
Lavīnu sabrukšanas mehānisms un salīdzinājums ar Zenera sabrukumu
Lavīna sadalās, kad brīvie elektroni un atomi ierīcē saduras viens ar otru.
No otras puses, Zenera sabrukumu izraisa spēcīgs elektriskais lauks pāri pn krustojumam.
Gan lavīnas, gan Zenera sabrukums ietver elektronu un caurumu veidošanos un kustību pusvadītāju materiālā.
Bet lielākā atšķirība starp diviem sadalījuma veidiem ir elektronu caurumu pāra izveidošana.
Atšķirības starp Avalanche un Zener sadalījumiem
Lavīnas sabrukums ir neatgriezenisks un notiek pie lielāka reversa sprieguma nekā Zenera sadalījums.
Sadalījuma spriegumu kontrolē pusvadītāju materiāla dopinga daudzums.
Dopinga daudzumam pieaugot, palielinās gan lavīnas metodes temperatūras koeficients, gan pārrāvuma sprieguma lielums.
Lavīna noārdās materiālos ar nelielu dopinga daudzumu, savukārt Zenera sabrukšana notiek materiālos ar lielu dopinga daudzumu.
Diodes krustojums neatgriezīsies tur, kur tas bija pēc lavīnas pārrāvuma, bet atgriezīsies tur, kur tas bija pēc Zenera sabrukuma.
Lavīnu bojājumi notiek biezās pusvadītāju materiāla daļās, savukārt Zenera bojājumi notiek plānās daļās.
Ir vērts atzīmēt, ka abu veidu bojājumi, visticamāk, nenotiks vienlaikus.
Katru bojājumu veidu izraisa dažādas lietas, un maz ticams, ka abi notiks vienlaikus.
Video: Izpratne par lavīnas efektu: ievads
Padoms. Ja nepieciešams, ieslēdziet parakstu pogu. Iestatījumu pogā izvēlieties “automātiskais tulkojums”, ja nezināt angļu valodu. Iespējams, vispirms būs jānoklikšķina uz videoklipa valodas, pirms jūsu iecienītākā valoda kļūst pieejama tulkošanai.
Lavīnu sabrukšanas praktiskie pielietojumi
Lavīnu sabrukšana ir parādība, kas var notikt gan izolācijas, gan pusvadītāju materiālos.
Tas ir tad, kad liela strāva var plūst caur materiāliem, kas parasti ir labi izolatori.
Šo procesu var izmantot elektroniskās ierīcēs, lai veiktu noderīgas darbības, piemēram, apturētu pārspriegumu, aizsargātu pret pārspriegumu, izmantotu kā sprieguma atsauci un izveidotu strāvas avotus.
Pārsprieguma slāpēšana
Pārsprieguma slāpēšanas shēmās lavīnu sabrukšanu izmanto, lai aizsargātu elektroniskās ierīces no sprieguma lēcieniem, ko izraisa zibens spērieni, elektromagnētiskie impulsi vai citas lietas.
Šajā gadījumā aizsargājamā ierīce ir savienota paralēli lavīnas diodei.
Kad spriegums visā ierīcē ir lielāks par diodes pārrāvuma spriegumu, diode nonāk lavīnas pārrāvuma reģionā, kas noņem papildu spriegumu no aizsargātās ierīces.
Tas neļaus elektrības pārspriegumam nodarīt kaitējumu ierīcei.
Pārsprieguma aizsardzības shēmas
Lavīnu sadalījumu izmanto arī ķēdēs, kas aizsargā elektroniskās ierīces no pārāk liela sprieguma bojājumiem.
Šajās shēmās aizsargājamā ierīce ir virknē savienota ar lavīnas diodi.
Ja spriegums visā ierīcē ir lielāks par diodes pārrāvuma spriegumu, diode nonāk lavīnas pārrāvuma zonā, kas ierobežo spriegumu visā aizsargātajā ierīcē.
Sprieguma atsauces shēmas
Sprieguma atsauces shēmās tiek izmantots lavīnas sadalījums, lai pārliecinātos, ka atsauces spriegums ir stabils un precīzs.
Kā atsauces spriegums šajās shēmās tiek izmantota lavīnas diode ar atpakaļejošu nobīdi.
Diodes pārrāvuma spriegums ir ļoti stabils un ir atkarīgs no tā, cik daudz dopinga tiek veikts, kad tas tiek izgatavots. Tas padara to par lielisku atsauces spriegumu lietojumprogrammām, kurām nepieciešama augsta precizitāte.
Pašreizējie avoti
Lavīnas sadalījumu izmanto strāvas avotos, kur nepieciešama stabila strāva, piemēram, precīzās mērinstrumentos un mērīšanas ķēdēs.
Šajās shēmās lavīnas diode ir virknē savienota ar rezistoru.
Diodes pārrāvuma spriegums un rezistora vērtība nosaka, cik daudz strāvas plūst caur ķēdi.
Lavīnu sabrukšanas kontrole un novēršana
Elektroniskajās shēmās ir vairāki veidi, kā apturēt vai kontrolēt lavīnu sabrukšanu.
Lavīnu diodes
Lavīnas diode ir viens no veidiem, kā apturēt lavīnas sadalīšanos. Lavīnu diodes ir paredzētas darbam apgrieztā sadalījuma reģionā, un tās izmanto, lai aizsargātu ķēdes no nevēlama sprieguma.
Lavīnas diodes krustojums ir izveidots, lai vienmērīgi sadalītos visā krustojumā. Tas novērš strāvas koncentrēšanos un karsto punktu veidošanos.
Atšķirībā no ne-lavīnas diodes, lavīnas diodes pārrāvuma spriegums paliek gandrīz tāds pats, kā mainās strāva.
Pagaidu slāpēšanas ierīces un sprieguma iespīlēšana
Elektroniskās shēmas var arī aizsargāt pret lavīnu pārrāvumiem, izmantojot īslaicīgas slāpēšanas ierīces un sprieguma nostiprināšanu.
Zenera diodes bieži izmanto, lai nofiksētu spriegumu.
Ja tiek izmantotas divas Zener diodes ar vienādu reverso pārrāvuma spriegumu, pārejošs spriegums ar jebkuru polaritāti tiks fiksēts vienā Zener sprieguma līmenī.
MOSFET
Ja spriegums ir lielāks par MOSFET pārrāvuma spriegumu, tas var arī pāriet lavīnas režīmā, kas var radīt problēmas.
MOSFET lavīnu bojājumus var izvairīties, ja ir labs ķēdes dizains un rūpīga MOSFET izvēle ar pareiziem sprieguma rādītājiem.
Papildu veidi, kā novērst lavīnu sabrukšanu
Ir vairāki veidi, kā apturēt lavīnu sabrukšanu elektroniskajās shēmās, nevis tikai izmantojot lavīnu diodes, īslaicīgas slāpēšanas ierīces, sprieguma nostiprināšanu un rūpīgu MOSFET izvēli.
Šeit ir daži no tiem:
| Profilakses padoms: | Apraksts: |
|---|---|
| Diodes dopinga līmeņa regulēšana | Diodes pārrāvuma spriegums ir atkarīgs no tā, cik daudz dopinga tiek izmantots tās izgatavošanas laikā. Mainot dopinga līmeni, jūs varat paaugstināt lavīnas sabrukšanas spriegumu un apturēt lavīnas sabrukšanu. |
| Noplicināšanas reģiona biezuma palielināšana | Dopinga koncentrācija un nobīdes spriegums ietekmē izsīkuma apgabala biezumu diodē. Padarot noplicināšanas reģionu biezāku, var paaugstināt lavīnas pārrāvuma spriegumu un apturēt lavīnas sabrukšanu. |
| Pareiza siltuma izkliedēšana | Pārāk daudz siltuma var sabojāt diodes un izraisīt to atteici. Siltuma izlietnes un citi veidi, kā atdzesēt lietas, var palīdzēt novērst lavīnu. |
| Drošinātāji un pārsprieguma aizsargi | Drošinātāji un pārsprieguma aizsargi palīdz aizsargāt elektroniskās shēmas no sprieguma pārspriegumiem un citiem pārejošiem notikumiem, kas var izraisīt lavīnas atteici. |
Sprieguma un lavīnu sadalījums
Dielektriskā izturība un sadalījuma spriegums
Materiāla spēju izturēt elektrisko spriegumu, nesadaloties un nekļūstot vadošam, mēra pēc tā dielektriskās stiprības. Volti uz centimetru ir izplatīts veids, kā to izmērīt.
Atteices iespēja pie šī sprieguma ir pietiekami zema, lai izolāciju varētu veikt ar pieņēmumu, ka tā nesadalīsies pie šī sprieguma.
Maiņstrāvas pārrāvuma spriegumi un impulsu sadalījuma spriegumi ir abi veidi, kā izmērīt materiāla dielektrisko izturību.
Maiņstrāvas spriegums ir tīkla līnijas frekvence, savukārt impulsa pārrāvuma spriegums imitē zibens spērienus.
Lai vilnis paceltos līdz 90% amplitūdai, parasti ir nepieciešamas 1,2 mikrosekundes, pēc tam 50 mikrosekundes, lai atkal pazeminātos līdz 50% amplitūdai.
Secinājums
Noslēgumā jāsaka, ka lavīnas pārrāvums un spriegums var šķist sarežģītas idejas, kuras var saprast tikai eksperti, taču tās abas ir svarīgas mūsdienu elektronikas daļas.
Zinot, kā šīs lietas darbojas un kā tās var izmantot elektroniskajās ierīcēs, inženieri var izveidot efektīvākus un unikālākus dizainus.
Lavīnas sprieguma un bojājumu izpēte var būt vēl svarīgāka, jo tā parāda, cik spēcīga un noderīga var būt elektronika.
Ikdienā lietojamos instrumentus un mašīnas ir viegli uzskatīt par pašsaprotamām, taču ir pārsteidzoši domāt par apbrīnojamajiem spēkiem, kas tajos darbojas.
Tāpēc, turpinot mācīties par inženierzinātnēm, neaizmirstiet būt pārsteigtiem par gudrību un radošumu, kas tiek izmantots ikdienā lietojamo tehnoloģiju izveidē.
Kurš var pateikt? Varbūt tieši jūs atradīsiet nākamo lielo lietu lavīnas pārrāvumā vai spriegumā, kas nākotnē novedīs pie vēl lielākām lietām.
Kopīgot…
