Якщо ви студент технічного факультету або інженер, ви, мабуть, знаєте, наскільки важлива напруга в електроніці.
Але як щодо лавинної напруги? Ця цікава річ відбувається, коли pn-напівпровідниковий перехід має раптове збільшення струму, що спричиняє руйнування матеріалу.
Незважаючи на те, що це звучить як руйнівна сила, лавинний пробій зараз є важливою частиною багатьох електронних пристроїв, таких як фотодіоди та стабілітрони.
Розуміння лавинної напруги та того, як її можна використовувати в реальному житті, може змінити правила гри для інженерів і допомогти їм створювати кращі та ефективніші проекти.
Тож приходьте з нами, коли я розповім про захоплюючий світ лавинної напруги та про те, як вона впливає на сферу техніки.
Формальне визначення:
Зворотна напруга, необхідна для лавинного пробою в pn напівпровідниковому переході.
Лавинна напруга та ширина шару виснаження
Лавинна напруга - це напруга, при якій відбувається лавинний пробій діода pn-переходу.
Коли зворотне зміщення подається на злегка легований pn-перехід, електричне поле пришвидшує електрони у виснаженому шарі, надаючи їм велику швидкість.
Ця енергія може викликати іонізацію атомів у кристалічній решітці, що призводить до великого струму.
Зв'язок між шириною виснаженого шару та лавинною напругою
Лавинна напруга діода пов’язана з шириною збідненого шару в напівпровідниковому переході.
Частина pn-переходу, де немає вільних носіїв заряду, називається збідненим шаром.
Це робиться, коли неосновні носії переміщуються через pn-перехід. Це створює регіон із чистим зарядом, який зупиняє переміщення більшої кількості носіїв меншості.
Наскільки ширина виснаженого шару залежить від кількості легування та напруги зсуву, яка використовується. Діоди з високою напругою пробою злегка леговані, що робить виснажені шари широкими.
Діоди з низькою напругою пробою, з іншого боку, сильно леговані, що робить виснажені шари вузькими.
Лавинна напруга буде більшою, чим більше виснажений шар. Це пояснюється тим, що ширші виснажені шари мають більше електричне поле, яке пришвидшує електрони до вищих швидкостей.
Це змушує більше електронів перетворюватися на іони, тому напруга пробою вище.
Проектні міркування
Виготовляючи діоди з pn-переходом, важливо думати про співвідношення між лавинною напругою та шириною виснаженого шару.
Діод із високою напругою пробою корисний для багатьох речей, наприклад для регулювання напруги та реверсування потоку енергії.
Щоб досягти високої напруги пробою, збіднений шар повинен бути широким, що може бути досягнуто за допомогою злегка легованого напівпровідникового матеріалу.
Коротше кажучи, лавинна напруга - це напруга, при якій лавинний пробій викликає поломку діода pn-переходу.
Лавинна напруга пов’язана з шириною виснаженого шару, оскільки вона впливає на напругу, при якій діод ламається.
Розуміння зв’язку між лавинною напругою та шириною виснаженого шару є важливим для розробки та оптимізації діодів pn-переходу для різних цілей.
Лавинний пробій у PN напівпровідникових переходах
Лавинний пробій — це процес, який відбувається, коли зворотна напруга на злегка легованому pn-переході перевищує певний рівень, який називається напругою пробою.
При такій напрузі електричне поле на стику є достатньо сильним, щоб тиснути на електрони та звільняти їх від ковалентних зв’язків.
Потім вільні електрони вражають інші атоми в пристрої, вивільняючи більше електронів і викликаючи лавину струму.
Це називається «множенням носіїв», і це призводить до значного збільшення потоку струму через pn-перехід.
Механізм лавинного пробою та порівняння з пробою Зенера
Лавинний зрив відбувається, коли вільні електрони та атоми в пристрої стикаються один з одним.
Пробій стабілітрона, з іншого боку, спричинений сильним електричним полем на pn-переході.
І лавинний пробій, і пробій Зенера включають утворення та рух електронів і дірок усередині напівпровідникового матеріалу.
Але найбільша різниця між двома типами пробою полягає в тому, як утворюється електронно-діркова пара.
Відмінності між лавинним і стабілітронним пробоями
Лавинний пробій необоротний і відбувається при вищій зворотній напрузі, ніж пробій стабілітрона.
Напруга пробою контролюється кількістю легування в напівпровідниковому матеріалі.
Зі збільшенням кількості легування зростає як температурний коефіцієнт лавинного методу, так і величина напруги пробою.
Лавинний пробій відбувається в матеріалах з невеликою кількістю легування, тоді як пробій стабілітрона відбувається в матеріалах з великою кількістю легування.
Перехід діода не повернеться туди, де він був після лавинного пробою, але він повернеться туди, де він був після пробою стабілітрона.
Лавинні пробої відбуваються в товстих частинах напівпровідникового матеріалу, тоді як пробої стабілітрона відбуваються в тонких частинах.
Варто зазначити, що обидва типи поломки навряд чи відбудуться одночасно.
Кожен тип поломки спричинений різними причинами, і малоймовірно, що обидва стануться одночасно.
Відео: Розуміння ефекту лавини: вступ
Порада: увімкніть кнопку субтитрів, якщо вона вам потрібна. Виберіть «автоматичний переклад» у кнопці налаштувань, якщо ви не знайомі з англійською мовою. Можливо, вам доведеться спершу натиснути мову відео, перш ніж ваша улюблена мова стане доступною для перекладу.
Практичне застосування лавинного зриву
Лавинний пробій - це явище, яке може відбуватися як в ізоляційних, так і в напівпровідникових матеріалах.
Це коли великий струм може протікати через матеріали, які зазвичай є хорошими ізоляторами.
Цей процес можна використовувати в електронних пристроях, щоб робити такі корисні речі, як зупинка стрибків напруги, захист від перенапруги, використання в якості опорної напруги та створення джерел струму.
Придушення перенапруги
У схемах придушення стрибків напруги лавинний пробій використовується для захисту електронних пристроїв від стрибків напруги, викликаних ударами блискавки, електромагнітними імпульсами або іншими факторами.
У цьому випадку пристрій, що захищається, підключається паралельно лавинному діоду.
Коли напруга на пристрої вища за напругу пробою діода, діод переходить у зону лавинного пробою, що знімає додаткову напругу з пристрою, що захищається.
Це запобігає стрибку електрики від пошкодження пристрою.
Схеми захисту від перенапруги
Лавинний пробій також використовується в схемах, які захищають електронні пристрої від пошкодження занадто високою напругою.
У цих схемах пристрій, що захищається, з’єднаний послідовно з лавинним діодом.
Коли напруга на пристрої вища за напругу пробою діода, діод переходить в область лавинного пробою, що обмежує напругу на захищеному пристрої.
Схеми опорної напруги
У ланцюгах опорної напруги лавинний пробій використовується для забезпечення стабільності та точності опорної напруги.
В якості опорної напруги в цих схемах використовується лавинний діод із зворотним зміщенням.
Напруга пробою діода дуже стабільна і залежить від того, скільки легування зроблено під час його створення. Це робить його чудовим джерелом еталонної напруги для застосувань, які потребують високої точності.
Джерела струму
Лавинний пробій використовується в джерелах струму, де потрібен стабільний струм, наприклад, у прецизійних приладах і вимірювальних схемах.
У цих схемах лавинний діод з'єднаний послідовно з резистором.
Напруга пробою діода і номінал резистора визначають, який струм протікає по ланцюгу.
Боротьба та попередження лавинного сходу
В електронних схемах існує кілька способів зупинити або контролювати лавину.
Лавинні діоди
Лавинний діод є одним із способів зупинити лавину від розпаду. Лавинні діоди створені для роботи в області зворотного пробою, і вони використовуються для захисту ланцюгів від непотрібних напруг.
Перехід лавинного діода робиться рівномірним по всьому переходу. Це запобігає концентрації струму та утворенню гарячих точок.
На відміну від нелавинного діода, напруга пробою лавинного діода залишається майже незмінною зі зміною струму.
Пристрої придушення перехідних процесів і обмеження напруги
Електронні схеми також можна захистити від лавинного руйнування за допомогою пристроїв придушення перехідних процесів і обмеження напруги.
Для фіксації напруги часто використовуються стабілітрони.
Коли використовуються два стабілітрони з однаковою зворотною напругою пробою, перехідна напруга будь-якої полярності буде обмежена на тому самому рівні напруги стабілітрона.
MOSFET
Коли напруга вище напруги пробою MOSFET, він також може перейти в лавинний режим, що може спричинити проблеми.
Лавинного руйнування МОП-транзисторів можна уникнути за допомогою хорошої схеми схеми та ретельного вибору МОП-транзисторів із правильною номінальною напругою.
Додаткові способи запобігання лавинному зриву
Існує більше способів зупинити лавинний збій в електронних схемах, ніж просто використання лавинних діодів, пристроїв придушення перехідних процесів, обмеження напруги та ретельний вибір MOSFET.
Ось деякі з них:
| Порада щодо профілактики: | опис: |
|---|---|
| Регулювання рівня легування діода | Напруга пробою діода залежить від того, скільки легування використовується під час його виготовлення. Змінюючи рівень легування, ви можете підвищити напругу лавинного пробою та зупинити лавинний пробій. |
| Збільшення товщини області виснаження | Концентрація легування та напруга зміщення впливають на товщину збідненої області в діоді. Збільшуючи товщину області виснаження, можна підвищити напругу лавинного пробою та зупинити лавинний пробою. |
| Правильна тепловіддача | Занадто сильне нагрівання може зруйнувати діоди та призвести до їх виходу з ладу. Тепловідвідники та інші способи охолодження можуть допомогти уникнути зриву лавини. |
| Запобіжники та пристрої захисту від перенапруг | Запобіжники та пристрої захисту від перенапруги допомагають захистити електронні схеми від стрибків напруги та інших перехідних явищ, які можуть спричинити лавинний збій. |
Напруга і лавинний пробій
Діелектрична міцність і напруга пробою
Здатність матеріалу витримувати електричні навантаження, не руйнуючись і не стаючи провідними, вимірюється його діелектричною міцністю. Вольт на сантиметр є поширеним способом його вимірювання.
Імовірність виходу з ладу при цій напрузі досить низька, тому ізоляцію можна зробити з припущенням, що вона не зруйнується при цій напрузі.
Напруга пробою змінного струму та імпульсна напруга пробою є способами вимірювання діелектричної міцності матеріалу.
Змінна напруга є частотою мережі, а імпульсна напруга пробою імітує удари блискавки.
Зазвичай хвилі потрібно 1,2 мікросекунди, щоб піднятися до 90% амплітуди, потім 50 мікросекунд, щоб опуститися до 50% амплітуди.
Висновок
Підсумовуючи, лавинний пробій і напруга можуть здатися складними ідеями, які можуть зрозуміти лише експерти, але обидва вони є важливими частинами сучасної електроніки.
Знаючи, як ці речі працюють і як їх можна використовувати в електронних пристроях, інженери можуть створювати більш ефективні та унікальні конструкції.
Дослідження лавинної напруги та пробою може бути навіть важливішим, оскільки воно показує, наскільки потужною та корисною може бути електроніка.
Легко сприймати інструменти та машини, якими ми користуємося щодня, як належне, але дивовижно думати про дивовижні сили, що діють у них.
Тож, продовжуючи вивчати техніку, не забувайте бути враженими кмітливістю та креативністю, які вкладаються у створення технологій, які ми використовуємо щодня.
Хто може сказати? Можливо, ви знайдете наступну велику річ у лавинному пробої чи напрузі, що призведе до ще більших речей у майбутньому.
Поділіться на…
