Če ste študent strojništva ali inženir, verjetno veste, kako pomembna je napetost v elektroniki.
Kaj pa lavinska napetost? Ta zanimiva stvar se zgodi, ko ima pn polprevodniški spoj nenadno povečanje toka, kar povzroči razgradnjo materiala.
Čeprav se sliši kot uničujoča sila, je plazovna razgradnja zdaj pomemben del številnih elektronskih naprav, kot so fotodiode in Zener diode.
Razumevanje lavinske napetosti in njene uporabe v resničnem življenju lahko inženirjem spremeni igro in jim pomaga narediti boljše in učinkovitejše načrte.
Torej, pojdite z nami, ko bom govoril o fascinantnem svetu lavinske napetosti in o tem, kako vpliva na področje inženiringa.
Formalna opredelitev:
Povratna napetost, ki je potrebna za povzročitev plazovite okvare v pn polprevodniškem spoju.
Lavinska napetost in širina izčrpane plasti
Lavinska napetost je napetost, pri kateri pride do lavinskega preboja diode pn spoja.
Ko se na rahlo dopiran pn-spoj postavi obratna prednapetost, električno polje pospeši elektrone v osiromašeni plasti, kar jim daje veliko hitrost.
Ta energija lahko povzroči ionizacijo atomov v kristalni mreži, kar povzroči velik pretok toka.
Razmerje med širino izčrpane plasti in napetostjo plazu
Lavinska napetost diode je povezana s širino osiromašene plasti v polprevodniškem spoju.
Del pn spoja, kjer ni prostih nosilcev naboja, se imenuje osiromašena plast.
Nastane, ko se manjšinski nosilci premaknejo čez pn spoj. To naredi regijo z neto dajatvijo, ki prepreči premikanje več manjšinskih prevoznikov.
Kako široka je osiromašena plast je odvisna od količine dopinga in uporabljene prednapetosti. Diode z visoko prebojno napetostjo so rahlo dopirane, zaradi česar so osiromašene plasti široke.
Po drugi strani pa so diode z nizko prebojno napetostjo močno dopirane, zaradi česar so osiromašene plasti ozke.
Lavinska napetost bo večja, če je večja izčrpana plast. To je zato, ker imajo širše osiromašene plasti večje električno polje, ki pospeši elektrone do večjih hitrosti.
To povzroči, da več elektronov postane ionov, zato je prebojna napetost višja.
Premisleki glede oblikovanja
Pri izdelavi pn spojnih diod je pomembno razmišljati o razmerju med lavinsko napetostjo in širino osiromašene plasti.
Dioda z visoko prebojno napetostjo je uporabna za številne stvari, na primer za uravnavanje napetosti in obračanje toka moči.
Da bi dosegli visoko prebojno napetost, mora biti osiromašena plast široka, kar je mogoče doseči z uporabo rahlo dopiranega polprevodniškega materiala.
Skratka, lavinska napetost je napetost, pri kateri lavinski preboj povzroči razpad diode pn spoja.
Lavinska napetost je povezana s širino osiromašene plasti, ker vpliva na napetost, pri kateri se dioda zlomi.
Razumevanje razmerja med napetostjo plazu in širino osiromašene plasti je pomembno za načrtovanje in optimizacijo diod pn spoja za različne namene.
Lavinski preboj v PN polprevodniških spojih
Lavinska razgradnja je proces, ki se zgodi, ko je povratna napetost na rahlo dopiranem pn spoju višja od določene ravni, imenovane prebojna napetost.
Pri tej napetosti je električno polje na stičišču dovolj močno, da potisne elektrone in jih osvobodi njihovih kovalentnih vezi.
Prosti elektroni nato zadenejo druge atome v napravi, sprostijo več elektronov in povzročijo plaz toka.
To se imenuje "množenje nosilca" in povzroči, da se pretok toka skozi pn spoj znatno poveča.
Mehanizem lavinskega preboja in primerjava z Zenerjevim prebojem
Lavinski razpad se zgodi, ko prosti elektroni in atomi v napravi trčijo drug ob drugega.
Zenerjev razpad na drugi strani povzroči močno električno polje čez pn spoj.
Tako plazovita razgradnja kot Zenerjeva razgradnja vključujeta ustvarjanje in gibanje elektronov in lukenj znotraj polprevodniškega materiala.
Toda največja razlika med obema vrstama razgradnje je, kako je narejen par elektron-luknja.
Razlike med Avalanche in Zener Breakdowns
Lavinska razgradnja je ireverzibilna in se zgodi pri višji povratni napetosti kot Zenerjev razpad.
Prebojna napetost je nadzorovana s količino dopinga v polprevodniškem materialu.
Ko se količina dopinga poveča, se povečata tako temperaturni koeficient lavinske metode kot velikost prebojne napetosti.
Lavinski razpad se zgodi v materialih z majhno količino dopinga, medtem ko se Zenerjev razpad zgodi v materialih z veliko dopinga.
Spoj diode se ne bo vrnil tja, kjer je bil po plazoviti okvari, ampak se bo vrnil tja, kjer je bil po Zenerjevi okvari.
Lavinske okvare se zgodijo v debelih delih polprevodniškega materiala, medtem ko se Zenerjeve okvare zgodijo v tankih delih.
Omeniti velja, da se obe vrsti okvare verjetno ne bosta zgodili istočasno.
Vsako vrsto okvare povzročijo različne stvari in malo je verjetno, da se bosta obe zgodili hkrati.
Video: Razumevanje učinka plazu: uvod
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.
Praktične uporabe okvare plazov
Lavinski preboj je pojav, ki se lahko zgodi tako pri izolacijskih kot pri polprevodniških materialih.
Takrat lahko skozi materiale, ki so običajno dobri izolatorji, teče velik tok.
Postopek se lahko uporablja v elektronskih napravah za uporabne stvari, kot so zaustavitev prenapetosti, zaščita pred prenapetostjo, uporaba kot referenca napetosti in izdelava tokovnih virov.
Zatiranje prenapetosti
V vezjih za dušenje prenapetosti se lavinska razgradnja uporablja za zaščito elektronskih naprav pred napetostnimi konicami, ki jih povzročijo udari strele, elektromagnetni impulzi ali druge stvari.
V tem primeru je naprava, ki jo varujemo, povezana vzporedno z lavinsko diodo.
Ko je napetost na napravi višja od prebojne napetosti diode, preide dioda v območje plazovite preboje, kar odvzame dodatno napetost iz zaščitene naprave.
Tako preprečite, da bi val električne energije poškodoval napravo.
Prenapetostna zaščitna vezja
Lavinska razgradnja se uporablja tudi v vezjih, ki ščitijo elektronske naprave pred poškodbami zaradi previsoke napetosti.
V teh tokokrogih je naprava, ki jo je treba zaščititi, zaporedno povezana z lavinsko diodo.
Ko je napetost na napravi višja od prebojne napetosti diode, preide dioda v območje plazovite razgradnje, kar omejuje napetost na varovani napravi.
Referenčna napetostna vezja
V napetostnih referenčnih tokokrogih se lavinska razgradnja uporablja za zagotovitev, da je referenčna napetost stabilna in točna.
Kot referenca napetosti se v teh vezjih uporablja lavinska dioda z vzvratno prednapetostjo.
Prebojna napetost diode je zelo stabilna in odvisna od tega, koliko dopinga je narejeno, ko je narejena. Zaradi tega je odlična referenčna napetost za aplikacije, ki zahtevajo visoko natančnost.
Trenutni viri
Lavinska razgradnja se uporablja v tokovnih virih, kjer je potreben stabilen tok, na primer v natančnih instrumentih in merilnih vezjih.
V teh vezjih je lavinska dioda zaporedno povezana z uporom.
Prebojna napetost diode in vrednost upora določata, koliko toka teče skozi vezje.
Obvladovanje in preprečevanje snežnih plazov
V elektronskih vezjih obstaja več načinov za zaustavitev ali nadzor plazovite okvare.
Lavinske diode
Lavinska dioda je eden od načinov za preprečitev sprožanja plazu. Lavinske diode so narejene tako, da delujejo v območju povratne razgradnje in se uporabljajo za zaščito tokokrogov pred napetostmi, ki niso zaželene.
Spoj lavinske diode je narejen tako, da se enakomerno zlomi po celotnem spoju. To preprečuje koncentracijo toka in nastanek vročih točk.
V nasprotju z nelavinsko diodo ostaja prebojna napetost lavinske diode skoraj enaka, kot se spreminja tok.
Naprave za dušenje prehodnih pojavov in vpenjanje napetosti
Elektronska vezja je mogoče zaščititi pred plazovitimi okvarami tudi s pomočjo naprav za dušenje prehodnih pojavov in vpetja napetosti.
Zener diode se pogosto uporabljajo za vpenjanje napetosti.
Ko se uporabita dve zener diodi z enako povratno prebojno napetostjo, bo prehodna napetost katere koli polarnosti vpeta na isti ravni zener napetosti.
MOSFET-ji
Ko je napetost višja od prebojne napetosti MOSFET-a, lahko preide tudi v lavinski način, kar lahko povzroči težave.
Lavinskemu razpadu MOSFET-jev se je mogoče izogniti z dobro zasnovo vezja in skrbno izbiro MOSFET-jev s pravimi nazivnimi napetostmi.
Dodatni načini za preprečevanje okvare snežnega plazu
Obstaja več načinov za zaustavitev plazovite okvare v elektronskih vezjih kot samo z uporabo lavinskih diod, naprav za dušenje prehodnih pojavov, vpetja napetosti in skrbne izbire MOSFET-jev.
Tukaj je nekaj izmed njih:
| Nasvet za preprečevanje: | Opis: |
|---|---|
| Nastavitev stopnje dopinga diode | Prebojna napetost diode je odvisna od tega, koliko dopinga je uporabljenega pri izdelavi. S spreminjanjem stopnje dopinga lahko zvišate plazovno prebojno napetost in preprečite plazovni razpad. |
| Povečanje debeline izčrpane regije | Koncentracija dopinga in prednapetost vplivata na debelino osiromašenega območja v diodi. Če naredite območje izčrpanosti debelejšo, lahko zvišate plazovno prebojno napetost in ustavite plazovni razpad. |
| Pravilno odvajanje toplote | Preveč toplote lahko pokvari diode in povzroči njihovo odpoved. Toplotni odvodi in drugi načini za hlajenje lahko pomagajo preprečiti, da bi se plaz zlomil. |
| Varovalke in prenapetostne zaščite | Varovalke in prenapetostne zaščite pomagajo zaščititi elektronska vezja pred napetostnimi sunki in drugimi prehodnimi dogodki, ki lahko povzročijo plazovno okvaro. |
Napetost in plazovni izpad
Dielektrična trdnost in prebojna napetost
Sposobnost materiala, da prenese električne obremenitve, ne da bi se zlomil in postal prevoden, se meri z njegovo dielektrično trdnostjo. Volti na centimeter so običajen način za merjenje.
Možnost okvare pri tej napetosti je dovolj nizka, da je mogoče izdelati izolacijo ob predpostavki, da se pri tej napetosti ne bo zlomila.
AC prebojna napetost in impulzna prebojna napetost sta oba načina za merjenje dielektrične trdnosti materiala.
Izmenična napetost je omrežna frekvenca, impulzna prebojna napetost pa posnema udar strele.
Običajno potrebuje val 1,2 mikrosekunde, da se dvigne na amplitudo 90 %, nato pa 50 mikrosekund, da pade nazaj na amplitudo 50 %.
Zaključek
Skratka, plazoviti razpad in napetost se morda zdita zapleteni ideji, ki ju lahko razumejo le strokovnjaki, vendar sta oba pomembna dela sodobne elektronike.
Če vedo, kako te stvari delujejo in kako jih je mogoče uporabiti v elektronskih napravah, lahko inženirji naredijo učinkovitejše in edinstvenejše zasnove.
Študija lavinske napetosti in okvare je morda še pomembnejša, ker kaže, kako močna in uporabna je lahko elektronika.
Orodja in stroje, ki jih uporabljamo vsak dan, je enostavno jemati za samoumevne, vendar je osupljivo pomisliti na neverjetne sile, ki delujejo v njih.
Torej, medtem ko se učite o inženirstvu, ne pozabite biti presenečeni nad bistroumnostjo in ustvarjalnostjo, ki sta vključeni v izdelavo tehnologije, ki jo uporabljamo vsak dan.
Kdo lahko reče? Morda boste prav vi tisti, ki boste v lavinskih okvarah ali napetosti našli naslednjo veliko stvar, ki bo v prihodnosti vodila do še večjih stvari.
Delite na...
