Ak ste študent inžinierstva alebo inžinier, pravdepodobne viete, aké dôležité je napätie v elektronike.
Ale čo lavínové napätie? Táto zaujímavá vec sa stane, keď prechod pn polovodičov má náhle zvýšenie prúdu, čo spôsobí rozpad materiálu.
Aj keď to znie ako ničivá sila, lavínový rozpad je dnes dôležitou súčasťou mnohých elektronických zariadení, ako sú fotodiódy a Zenerove diódy.
Pochopenie lavínového napätia a toho, ako ho možno použiť v reálnom živote, môže pre inžinierov zmeniť hru a pomôcť im vytvoriť lepšie a efektívnejšie návrhy.
Poďte teda s nami hovoriť o fascinujúcom svete lavínového napätia a jeho vplyve na oblasť strojárstva.
Formálna definícia:
Spätné napätie potrebné na vyvolanie lavínového rozpadu v polovodičovom prechode pn.
Lavínové napätie a šírka vrstvy vyčerpania
Lavínové napätie je napätie, pri ktorom dochádza k lavínovému rozpadu v dióde pn.
Keď sa na ľahko dopovaný pn prechod aplikuje spätné predpätie, elektrické pole zrýchli elektróny v ochudobňujúcej vrstve, čo im dáva veľkú rýchlosť.
Táto energia môže spôsobiť ionizáciu atómov v kryštálovej mriežke, čo má za následok veľký tok prúdu.
Vzťah medzi šírkou vrstvy vyčerpania a lavínovým napätím
Lavínové napätie diódy súvisí so šírkou ochudobňujúcej vrstvy v polovodičovom prechode.
Časť pn spoja, kde nie sú žiadne voľné nosiče náboja, sa nazýva vrstva vyčerpania.
Vyrába sa, keď sa menšinové nosiče pohybujú cez pn križovatku. To vytvára oblasť s čistým nábojom, ktorý bráni pohybu viacerých menšinových dopravcov.
Ako široká je vrstva vyčerpania závisí od množstva dopingu a použitého predpätia. Diódy s vysokým prierazným napätím sú mierne dotované, čo spôsobuje, že vrstvy vyčerpania sú široké.
Diódy s nízkym prierazným napätím sú na druhej strane silne dopované, čo spôsobuje, že vrstvy vyčerpania sú úzke.
Lavínové napätie bude väčšie, ak bude vrstva vyčerpania väčšia. Je to preto, že širšie vrstvy vyčerpania majú väčšie elektrické pole, ktoré urýchľuje elektróny na vyššiu rýchlosť.
To spôsobí, že viac elektrónov sa stane iónmi, takže prierazné napätie je vyššie.
Úvahy o dizajne
Pri zhotovovaní pn prechodových diód je dôležité myslieť na vzťah medzi lavínovým napätím a šírkou úbytkovej vrstvy.
Dióda s vysokým prierazným napätím je užitočná pre mnoho vecí, ako je regulácia napätia a obrátenie toku energie.
Aby sa dosiahlo vysoké prierazné napätie, musí byť vrstva vyčerpania široká, čo sa dá dosiahnuť použitím ľahko dopovaného polovodičového materiálu.
Stručne povedané, lavínové napätie je napätie, pri ktorom lavínový prieraz spôsobí rozpad diódy pn.
Lavínové napätie je spojené so šírkou vrstvy vyčerpania, pretože ovplyvňuje napätie, pri ktorom sa dióda rozpadne.
Pochopenie vzťahu medzi lavínovým napätím a šírkou vrstvy vyčerpania je dôležité pre navrhovanie a optimalizáciu diód pn pre rôzne použitie.
Lavínový rozpad v polovodičových spojoch PN
Lavínový rozpad je proces, ku ktorému dochádza, keď je spätné napätie na ľahko dotovanom pn prechode vyššie ako určitá úroveň, nazývaná prierazné napätie.
Pri tomto napätí je elektrické pole na križovatke dostatočne silné na to, aby zatlačilo na elektróny a uvoľnilo ich z ich kovalentných väzieb.
Voľné elektróny potom zasiahnu ďalšie atómy v zariadení, čím sa uvoľní viac elektrónov a spôsobí sa lavína prúdu.
Toto sa nazýva "násobenie nosiča" a spôsobuje, že tok prúdu cez prechod pn sa výrazne zvýši.
Mechanizmus lavínového rozpadu a porovnanie so Zenerovým rozpadom
Lavínový rozpad nastáva, keď do seba narážajú voľné elektróny a atómy v zariadení.
Zenerov rozpad je na druhej strane spôsobený silným elektrickým poľom cez pn prechod.
Lavínový rozpad aj Zenerov rozpad zahŕňajú vytváranie a pohyb elektrónov a dier vo vnútri polovodičového materiálu.
Najväčší rozdiel medzi týmito dvoma typmi rozpadu je však v tom, ako vzniká pár elektrón-diera.
Rozdiely medzi Avalanche a Zenerovými poruchami
Lavínový rozpad je nezvratný a deje sa pri vyššom spätnom napätí ako pri Zenerovom rozpade.
Prierazné napätie je riadené množstvom dopingu v polovodičovom materiáli.
S rastúcim množstvom dopingu stúpa teplotný koeficient lavínovej metódy aj veľkosť prierazného napätia.
K lavínovému rozpadu dochádza v materiáloch s malým množstvom dopingu, zatiaľ čo k Zenerovmu rozpadu dochádza v materiáloch s veľkým množstvom dopingu.
Spojenie diódy sa nevráti tam, kde bolo po lavínovom páde, ale vráti sa tam, kde bolo po Zenerovom výpadku.
K lavínovým poruchám dochádza v hrubých častiach polovodičového materiálu, zatiaľ čo k Zenerovým poruchám dochádza v tenkých častiach.
Stojí za zmienku, že oba typy porúch pravdepodobne nenastanú súčasne.
Každý typ poruchy je spôsobený rôznymi vecami a je nepravdepodobné, že k obom dôjde súčasne.
Video: Pochopenie lavínového efektu: úvod
Tip: Ak potrebujete, zapnite tlačidlo titulkov. Ak nie ste oboznámení s anglickým jazykom, vyberte v tlačidle nastavení „automatický preklad“. Možno budete musieť najskôr kliknúť na jazyk videa, až potom bude váš obľúbený jazyk dostupný na preklad.
Praktické aplikácie lavínového rozpadu
Lavínový rozpad je jav, ktorý sa môže vyskytnúť v izolačných aj polovodičových materiáloch.
Vtedy môže cez materiály, ktoré sú bežne dobrými izolantmi, pretekať veľký prúd.
Tento proces možno použiť v elektronických zariadeniach na vykonávanie užitočných vecí, ako je zastavenie prepätia, ochrana pred prepätím, použitie ako referencia napätia a vytváranie zdrojov prúdu.
Potlačenie prepätia
V obvodoch na potlačenie prepätia sa lavínový rozpad používa na ochranu elektronických zariadení pred napäťovými špičkami spôsobenými údermi blesku, elektromagnetickými impulzmi alebo inými vecami.
V tomto prípade je zariadenie, ktoré sa má chrániť, zapojené paralelne s lavínovou diódou.
Keď je napätie na zariadení vyššie ako prierazné napätie diódy, dióda prejde do oblasti lavínového prierazu, ktorá odoberie dodatočné napätie z chráneného zariadenia.
Tým sa zabráni, aby nárazový prúd elektriny poškodil zariadenie.
Prepäťové ochranné obvody
Lavínový rozpad sa používa aj v obvodoch, ktoré chránia elektronické zariadenia pred poškodením príliš vysokým napätím.
V týchto obvodoch je chránené zariadenie zapojené do série s lavínovou diódou.
Keď je napätie na zariadení vyššie ako prierazné napätie diódy, dióda prejde do oblasti lavínového prierazu, čo obmedzuje napätie na chránenom zariadení.
Referenčné obvody napätia
V napäťových referenčných obvodoch sa používa lavínový rozpad, aby sa zabezpečilo, že referenčné napätie je stabilné a presné.
Ako referencia napätia sa v týchto obvodoch používa lavínová dióda so spätným predpätím.
Prierazné napätie diódy je veľmi stabilné a závisí od toho, koľko dopingu sa robí pri jej výrobe. To z neho robí skvelé referenčné napätie pre aplikácie, ktoré vyžadujú vysokú presnosť.
Aktuálne zdroje
Lavínový rozklad sa používa v prúdových zdrojoch, kde je potrebný stabilný prúd, ako napríklad v presných prístrojových a meracích obvodoch.
V týchto obvodoch je lavínová dióda zapojená do série s rezistorom.
Prierazné napätie diódy a hodnota odporu určujú, koľko prúdu preteká obvodom.
Kontrola a prevencia lavínového rozpadu
V elektronických obvodoch existuje množstvo spôsobov, ako zastaviť alebo kontrolovať rozpad lavín.
Lavínové diódy
Lavínová dióda je jedným zo spôsobov, ako zastaviť rozpad lavíny. Lavínové diódy sú vyrobené tak, aby fungovali v oblasti spätného prierazu a používajú sa na ochranu obvodov pred nežiaducim napätím.
Spojenie lavínovej diódy je vyrobené tak, aby sa rozpadlo rovnomerne po celej križovatke. Tým sa zabráni koncentrácii prúdu a vzniku horúcich miest.
Na rozdiel od nelavínovej diódy zostáva prierazné napätie lavínovej diódy takmer rovnaké, ako sa mení prúd.
Zariadenia na potlačenie prechodov a upínanie napätia
Elektronické obvody môžu byť tiež zabezpečené pred lavínovým zrútením pomocou zariadení na potlačenie prechodových javov a napäťového upínania.
Zenerove diódy sa často používajú na uchytenie napätia.
Keď sa použijú dve zenerove diódy s rovnakým reverzným prierazným napätím, prechodné napätie ktorejkoľvek polarity sa prichytí na rovnakú úroveň zenerovho napätia.
MOSFETy
Keď je napätie vyššie ako prierazné napätie MOSFET, môže tiež prejsť do lavínového režimu, čo môže spôsobiť problémy.
Lavínovému rozpadu MOSFETov sa dá predísť dobrou konštrukciou obvodu a starostlivým výberom MOSFETov so správnymi menovitými hodnotami napätia.
Ďalšie spôsoby, ako zabrániť rozpadu lavín
Existuje viac spôsobov, ako zastaviť lavínový rozpad v elektronických obvodoch, než len použitie lavínových diód, zariadení na potlačenie prechodových javov, upínania napätia a starostlivého výberu MOSFETov.
Tu sú niektoré z nich:
| Tip na prevenciu: | Popis: |
|---|---|
| Nastavenie úrovne dopingu diódy | Prierazné napätie diódy závisí od toho, koľko dopingu sa používa pri jej výrobe. Zmenou úrovne dopingu môžete zvýšiť napätie pri lavínovom prepade a zastaviť lavínový rozpad. |
| Zvýšenie hrúbky oblasti vyčerpania | Koncentrácia dopingu a predpätie ovplyvňujú hrúbku oblasti vyčerpania v dióde. Tým, že sa oblasť vyčerpania zväčší, môže sa zvýšiť napätie pri lavínovom prieraze a môže sa zastaviť rozpad lavín. |
| Správny odvod tepla | Príliš veľa tepla môže rozbiť diódy a spôsobiť ich zlyhanie. Chladiče a iné spôsoby chladenia môžu pomôcť zabrániť rozpadu lavíny. |
| Poistky a prepäťové ochrany | Poistky a prepäťové ochrany pomáhajú chrániť elektronické obvody pred napäťovými rázmi a inými prechodnými udalosťami, ktoré môžu spôsobiť lavínové zlyhanie. |
Napätie a lavínový rozpad
Dielektrická pevnosť a prierazné napätie
Schopnosť materiálu odolávať elektrickému namáhaniu bez toho, aby sa rozpadol a stal sa vodivým, sa meria jeho dielektrickou silou. Volty na centimeter sú bežným spôsobom merania.
Pravdepodobnosť zlyhania pri tomto napätí je dostatočne nízka na to, aby bolo možné vykonať izoláciu s predpokladom, že sa pri tomto napätí nezlomí.
Striedavé prierazné napätia a impulzné prierazné napätia sú oba spôsoby merania dielektrickej pevnosti materiálu.
Striedavé napätie je sieťová frekvencia siete, zatiaľ čo impulzné prierazné napätie imituje údery blesku.
Vlne zvyčajne trvá 1,2 mikrosekundy, kým stúpne na 90 % amplitúdy, potom 50 mikrosekúnd, kým klesne späť na 50 % amplitúdy.
Záver
Záverom možno povedať, že rozpad lavín a napätie sa môžu zdať ako komplikované myšlienky, ktorým môžu porozumieť len odborníci, no obe sú dôležitou súčasťou modernej elektroniky.
Keď vedia, ako tieto veci fungujú a ako sa dajú použiť v elektronických zariadeniach, môžu inžinieri vytvárať návrhy, ktoré sú efektívnejšie a jedinečné.
Štúdium lavínového napätia a rozpadu môže byť ešte dôležitejšie, pretože ukazuje, aká výkonná a užitočná môže byť elektronika.
Je ľahké považovať nástroje a stroje, ktoré používame každý deň, za samozrejmosť, ale je úžasné myslieť na úžasné sily, ktoré v nich pracujú.
Takže, keď sa budete neustále učiť o inžinierstve, nezabudnite byť ohromený šikovnosťou a kreativitou, ktoré sú spojené s výrobou technológie, ktorú používame každý deň.
Kto môže povedať? Možno práve vy nájdete ďalšiu veľkú vec v lavínovom rozpade alebo napätí, čo v budúcnosti povedie k ešte väčším veciam.
Zdieľať na…
