Če ste študent strojništva ali inženir, verjetno veste, kako pomembno je imeti zanesljive elektronske naprave za širok spekter uporabe.
Toda ali ste kdaj pomislili, kaj se zgodi, ko te naprave zadenejo močna električna polja? Tu nastopi učinek plazov in njegovo razumevanje je ključnega pomena za zagotavljanje dobrega delovanja in varnosti elektronskih sistemov.
V tem blogu si bom podrobneje ogledal učinek plazu, vključno z njegovimi vzroki, učinki in uporabo v resničnem svetu.
To je tema, ki je ne boste želeli zamuditi, ne glede na to, ali ste izkušen inženir ali šele na začetku. Zato se pripnite in pripravite na raziskovanje naelektrenega sveta učinka plazu!
Uvod v lavinski učinek
Formalna opredelitev:
Kumulativni proces, pri katerem elektron ali drug nabit delec, pospešen z močnim električnim poljem, trči in ionizira molekule plina, pri čemer se sprostijo novi elektroni, ki imajo posledično več trkov, tako da se razelektritev tako vzdržuje sama.
Lavinski učinek: Splošna razlaga
Učinek plazu je osnovni fizikalni učinek, ki se zgodi v elektronskih napravah, ko elektron ali drug nabit delec, ki ga je pospešilo močno električno polje, zadene molekule plina in jih ionizira.
Ta proces ustvari nove elektrone, ki nato trčijo z več elektroni, kar povzroči razelektritev, ki se nadaljuje sama.
Lavinski učinek se pogosto uporablja za izdelavo elektronskih naprav, kot so lavinske diode, detektorji sevanja in detektorji delcev.
Lavinski učinek v diodi
Učinek plazu se zgodi v diodi, ko se čez spoj uporabi visoka povratna napetost. To ustvari močno električno polje, ki pospeši elektrone v bližini stičišča.
Ko se ti elektroni premikajo čez stičišče, trčijo v atome v kristalni mreži. Zaradi tega se atomi ionizirajo in izpustijo več elektronov.
Ti novi elektroni se nato pospešijo in zadenejo več atomov, kar ustvari verižno reakcijo ionizacije in pretok toka, ki se sam nadaljuje.
To se imenuje "učinek plazu" in se zgodi, ko so diode narejene tako, da delujejo v "območju povratne razgradnje".
Lavinske diode
Lavinska dioda je vrsta polprevodniške diode, ki je narejena tako, da se pri določeni napetosti razbije v plazu.
Pn spoj lavinske diode je narejen tako, da zaustavi koncentracijo toka in vroče točke, ki prihajajo iz njega, tako da lavinski učinek ne poškoduje diode.
Lavinska dioda je narejena na enak način kot Zener dioda in v teh diodah lahko pride tako do Zenerjevega kot do lavinskega preboja.
Lavinske diode so zasnovane tako, da najbolje delujejo v pogojih lavinskega preboja, zato imajo ob okvari majhen, a opazen padec napetosti.
Primer lavinskega učinka v diodi
Uporaba lavinske razgradnje za nadzor napetosti v vezju je primer lavinskega učinka v diodi.
V tem primeru je dioda narejena tako, da deluje v območju reverzne razgradnje, kjer lahko lavinski učinek zagotovi stabilen in predvidljiv padec napetosti.
Diodo je mogoče uporabiti kot shunt za zaščito drugih delov pred prenapetostjo ali za omejitev napetosti v bremenu.
Lavinski učinek v diodi je ključni način za zelo natančen nadzor napetosti. Najdemo ga v številnih elektronskih napravah.
Video: Pojasnjen učinek okvare plazu in Zenerjeve okvare
Nasvet: Vklopite gumb za napise, če ga potrebujete. V gumbu z nastavitvami izberite »samodejno prevajanje«, če niste seznanjeni z angleškim jezikom. Morda boste morali najprej klikniti jezik videoposnetka, preden postane vaš najljubši jezik na voljo za prevod.
Pomen lavinskega učinka v elektronskih napravah
Lavinski učinek in Zenerjev učinek sta dve vrsti električnih okvar, ki se lahko zgodita v pn diodah in drugih elektronskih napravah.
Učinek plazu je osnovni fizikalni pojav, ki se zgodi, ko elektron ali drug nabit delec, ki ga je pospešilo močno električno polje, trči v molekule plina in jih ionizira.
Ta proces ustvari nove elektrone, ki nato trčijo z več elektroni, kar povzroči razelektritev, ki se nadaljuje sama.
Lavinski učinek se pogosto uporablja za izdelavo elektronskih naprav, kot so lavinske diode, detektorji sevanja in detektorji delcev.
Zenerjev učinek
Zenerjev učinek je druga vrsta električne okvare, ki se lahko zgodi v elektroniki, zlasti v pn diodah, ki so pristranske v nasprotni smeri.
Ta učinek se zgodi, ko električno polje omogoči, da se elektroni premaknejo iz valenčnega pasu v prevodni pas.
Ta nenadna tvorba nosilcev hitro poveča povratni tok, kar povzroči visoko prevodnost naklona Zener diode.
Lavinski razpad se razlikuje od Zenerjevega učinka.
Pri plazovitem zlomu električno polje pospeši manjšinske nosilne elektrone v prehodnem območju do dovolj visokih hitrosti, da sprostijo pare elektron-luknja, tako da trčijo v vezane elektrone.
Razlika med Zener Breakdown in Avalanche Breakdown
Način, kako pride do razpada Zenerja in plazovnega razpada, je glavna razlika med obema.
Zenerjev razpad se zgodi, ko so močna električna polja, medtem ko se plazoviti razpad zgodi, ko prosti elektroni in atomi udarijo drug ob drugega.
Obe težavi se lahko pojavita hkrati.
Lavinska razgradnja se pogosteje zgodi pri diodah, ki so narejene tako, da delujejo v območju reverzne razgradnje, medtem ko se Zenerjeva razgradnja pogosteje zgodi pri diodah, ki so rahlo dopirane in pri nižjih napetostih.
Pomen lavinskega učinka v elektronskih napravah
Lavinski učinek je ključni del nekaterih elektronskih naprav, kot so lavinske diode in visokonapetostne diode, saj omogoča nadzor napetosti v električnih tokokrogih z veliko natančnostjo.
Lavinski učinek se lahko uporablja za številne stvari, kot je regulacija napetosti, zaščita pred prenapetostmi in hitro preklapljanje.
Lavinske diode se pogosto uporabljajo za zaščito elektronskih naprav pred napetostnimi konicami.
Visokonapetostne diode uporabljajo lavinski učinek za zelo natančen nadzor napetosti v električnih tokokrogih.
Izračun in merjenje lavinskega učinka
Testiranje lavinskega učinka v elektronskih napravah
Preizkus nevpetega induktivnega preklopa (UIS) je eden od načinov za krožno testiranje elektronskih naprav glede učinka plazu.
Test UIS ni neposreden test za lavinski učinek. Namesto tega preverja, kako dobro lahko MOSFET prenese visokonapetostne konice in nenadne padce napetosti.
Med preskusom UIS je stikalo vklopljeno, da napolni induktor do določene ravni. Stikalo se nato izklopi, da se omogoči učinek plazu.
Kolikšna je energija plazu, je odvisno od velikosti in dolžine napetostnega skoka, ki ga ujame silicijeva naprava.
Ocena MOSFET Avalanche Rating pomaga preveriti, kako močna je naprava, in izloči MOSFET-e, ki so šibkejši ali bolj verjetno, da se bodo zlomili.
Pomembno pa si je zapomniti, da učinek plazu ni vedno dober v elektronskih napravah, saj lahko povzroči, da se pokvarijo in odpovejo na uničujoč način.
Zaradi tega morajo ljudje, ki načrtujejo vezja in izdelujejo naprave, skrbno pretehtati prednosti učinka plazu pred tveganji prenapetostnih dogodkov in drugih prehodnih stanj.
Lavinske diode
Lavinske diode so vrsta polprevodniških diod, ki so narejene tako, da pri določeni napetosti razpadejo v plazu.
Pn spoj lavinske diode je narejen tako, da zaustavi koncentracijo toka in vroče točke, ki prihajajo iz nje, tako da lavinski učinek ne poškoduje diode.
Lavinska dioda je narejena na enak način kot Zener dioda in v teh diodah lahko pride tako do Zenerjevega kot do lavinskega preboja.
Lavinske diode so zasnovane tako, da najbolje delujejo v pogojih lavinskega preboja, zato imajo ob okvari majhen, a opazen padec napetosti.
Lavinske diode se lahko uporabljajo za marsikaj, na primer za regulacijo napetosti, zaščito pred prenapetostjo in hitro preklapljanje.
Lavinski učinek uporabljajo visokonapetostne diode za nadzor napetosti v električnih tokokrogih z veliko natančnostjo.
Izboljšanje in spodbujanje učinka plazu
Pri nekaterih elektronskih napravah je lahko učinek plazu dobra stvar, ker napadalcem s statistično analizo težje ugotovijo odprto besedilo.
Torej obstajajo načini, da se učinek plazu pogosteje zgodi v tokokrogih, kot so:
Dvig prednapetosti nad razčlenitev
Eden od načinov za povečanje verjetnosti, da bo vezje imelo plazovni učinek, je dvig prednapetosti nad razčlenitev.
Toda za to potrebujete vezje, ki lahko zajame vodilni rob lavinskega toka in naredi standardni izhodni impulz, ki je časovno usklajen s kopičenjem plazu.
Aktivno kaljenje
V tem primeru oster začetek plazovitega toka preko upora 50 (ali integriranega tranzistorja) zajame hitri diskriminator, ki pošlje digitalni izhodni impulz.
Optimiziranje koncentracij dopinga
Optimiziranje koncentracij dopinga dveh prilagojenih plasti lahko pomaga pridobiti visoko električno polje za plazovito množenje elektronov, ki jih ustvari svetloba.
Ta metoda je bila uporabljena za izboljšanje kvantne učinkovitosti slikovnih senzorjev. Rečeno je bilo tudi, da se uporablja v CMOS SPAD.
Predlagana struktura uporablja tudi p-epitaksialno plast z gradientnim dopirnim profilom, kar pomeni, da se količina dopinga povečuje, ko greste globlje v plast.
Tak gradientni dopirni profil naredi PDE še boljši, saj foto-generiranim elektronom olajša premikanje navzgor in njihovo učinkovito zbiranje v smeri območja množitve plazov.
Townsend Avalanche
Pomembno si je zapomniti, da Townsendov plaz sproži en sam prosti elektron. Samo prosti elektroni se lahko dovolj gibljejo v električnem polju, da začnejo ta proces.
Če vam je kdaj dolgčas in iščete malo razburjenja
Razmišljate o ustvarjanju lastnega lavinskega učinka doma? Samo zberite močno električno polje in nekaj molekul plina in voila – pripravljena je samovzdrževalna razelektritev!
Šalim se seveda.
Poskus ustvariti učinek plazu zunaj nadzorovanega laboratorija je nevaren in ni dobra ideja.
Čeprav se zamisel o samostojnem praznjenju morda sliši kul, ima lahko resne posledice za elektronske sisteme in naprave.
Primeri uporabe
| Uporablja se v: | Opis: |
|---|---|
| Lavinske diode | Lavinske diode so eden najpogostejših načinov uporabe lavinskega učinka. Te posebne diode so narejene tako, da delujejo v območju, kjer se pojavi lavinski učinek, kar je območje obratne razgradnje. Rezultat je enakomeren, samoomejujoč tok toka, ki se lahko uporablja za širok spekter nalog, kot je regulacija napetosti, zaščita pred prenapetostmi in hitro preklapljanje. |
| Zaznavanje sevanja | Zaznavanje sevanja je še ena pomembna uporaba lavinskega učinka. Uporablja se za izdelavo detektorjev sevanja. Zlasti Geiger-Müllerjeve cevi so instrumenti, ki uporabljajo lavinski učinek za iskanje in merjenje ionizirajočega sevanja. Ko nabiti delci iz sevanja prehajajo skozi cev, ionizirajo molekule plina in povzročijo poplavo elektronov, ki jih je mogoče videti in izmeriti. |
| Zmanjšanje elektronskega šuma | Lavinski učinek se lahko uporablja tudi za zmanjšanje šuma v določenih vrstah elektronskih vezij. Zlasti, ko je lavinska dioda zaporedno povezana z virom hrupa, lahko samoomejujoča narava lavinskega učinka pomaga znižati splošno raven hrupa v sistemu. |
| Fizika visoke energije | Nazadnje je učinek plazu ključni del visokoenergijskih fizikalnih poskusov, kjer ga je mogoče uporabiti za iskanje in merjenje prisotnosti visokoenergijskih delcev. Zlasti detektorji delcev, kot je Time Projection Chamber, uporabljajo učinek plazu za ionizacijo molekul plina in ustvarjanje signala, ki ga je mogoče uporabiti za sledenje gibanju nabitih delcev. |
Zaključek
Kot smo videli v tej objavi, je učinek plazu zanimiv in zapleten pojav, ki ima veliko učinkov na elektronske naprave in sisteme.
Učinek plazu nas lahko veliko nauči, od njegovih osnovnih vzrokov do načinov, kako ga lahko uporabimo v resničnem svetu.
Toda poleg tehničnih podrobnosti daje učinek plazu edinstven pogled na to, kako deluje elektrika in kako medsebojno delujejo nabiti delci in molekule plina.
Spominja nas na moč in potencial elektrike, pa tudi na občutljivo ravnovesje med energijo in snovjo.
Kot inženirji in znanstveniki je pomembno ne le razumeti tehnične vidike učinka plazu, ampak tudi ceniti čudenje in strahospoštovanje, ki prihajata z raziskovanjem skrivnosti fizičnega sveta.
Če sprejmemo občutek radovednosti in čudenja, lahko najdemo nove vpoglede in priložnosti v našem delu, premikamo meje možnega in oblikujemo jutrišnji svet.
Zato naj bo učinek plazu opomnik, kako močna in uporabna sta lahko znanost in inženiring, ter poziv k nadaljnjemu raziskovanju čudes narave z odprtimi umi in neskončnim občutkom čudenja.
Skupaj lahko odpremo nova področja in naredimo prihodnost boljšo za vse.
Delite na...
