Forskjellen mellom Zener og lavine-sammenbrudd

Zener nedbrytning og lavin bryte ned prosesser som forårsaker omvendt strømmer å strømme gjennom p-n- Kryss i dioder når store spenninger med tilbakeslagsforspenning påføres.

Bakgrunnen for Zener-sammenbrudd og lavineoppdeling

De p-n Junction Under Equilibrium

EN p-n- krysset består av a p-type halvleder i kontakt med en n-type halvleder. Når de blir satt i kontakt, diffunderer elektroner og hull fra siden at de er mer konsentrert til siden at de er mindre konsentrerte. Denne strømmen av majoritetsbærere som skyldes en konsentrasjonsgradient kalles a diffusjonsstrøm.

De fleste transportører på n siden er elektroner, og så diffunderer de over til p side, forlater n siden positivt ladet. Tilsvarende hull, som er majoritetsbærere av p side, diffus over til n side, forlater p side med negativ ladning. Disse belastede områdene danner space charge region (eller utarmingsområde).

Til slutt gir de ladede områdene opphav til et elektrisk felt som virker som en potensiell barriere for diffusjonsstrømmen. Dette elektriske feltet feier også minoritetsbærere over romladningsområdet, dvs. elektroner fra p side til n side og hull fra n side til p side. Denne strømmen av minoritetsbærere kalles drivstrøm, og det er i motsatt retning mot diffusjonsstrømmen. En likevekt er etablert, hvor drivstrømmen er lik diffusjonsstrømmen, som gjør nett nåværende flyt over krysset null.

Figur 1: P-n krysset i likevekt; Topp: Energibåndene, Mellom: Skjematisk, Nedenfor: Veibeskrivelse

De p-n Kryss av under Forward Bias

EN p-n Krysset er i forspenning når en spenning påføres over p-n krysset eksternt, med p side forbundet med det mer positive potensialet enn n side. Kobling i forspenning reduserer potensiell sperre for diffusjonsstrømmen og reduserer også plassladningsbredden. Diffusjonsstrømmen øker vesentlig som et resultat av den reduserte potensielle barrieren. Drivstrømmen forblir imidlertid nesten uendret. Det totale resultatet er en nettstrøm som strømmer fra p side til n side.

Når fremspenningen over dioden økes ytterligere, øker strømmen eksponentielt. Ved meget høye fremspenninger kan de fremmende strømmetningene og oppvarmingseffektene føre til at dioden bryter.

Figur 2: P-n-krysset i fremoverforspenning 

De p-n Kryssing under omvendt bias

De p-n krysset er i motsatt forstand når spenningen påføres over krysset, med n siden er knyttet til det mer positive potensialet. Her økes den potensielle barrieren for diffusjonsstrømmen og romladningsbredden. Siden den potensielle barrieren nå er stor, faller diffusjonsstrømmen. Drivstrømmen endrer seg ikke vesentlig. Det samlede resultatet er en liten nettstrøm fra n side til p side, som heter omvendt metningsstrøm (). Økning av reversspenningen over krysset gir videre endring til strømmen, til i store reversspenninger forårsaker Zener og lavin-nedbrytningsprosesser at store omvendte strømmer strømmer.

Figur 3: P-n-krysset under omvendt forspenning

For en typisk diode er disse effektene oppsummert i følgende nåværende vs spenningsgraf:

Figur 4: Strøm vs spenningsgrafikk for en ideell diode

Sammenbrudd

Dioder gir bare en betydelig strøm til å strømme når de er koblet i forspenning. Derfor kan de brukes til å sikre at strømmen i en krets strømmer langs en gitt retning. Dioder kan for eksempel brukes til å konvertere vekselstrøm til likestrøm. Som nevnt ovenfor kan imidlertid en stor reversspenning føre til at omvendte strømmer strømmer. Dette kalles sammenbrudd, og kan finne sted enten som "Zener-sammenbrudd" eller som "snøbredsbrudd". Forskjellene mellom de to typer sammenbrudd er skissert nedenfor.

Zener Breakdown

I Zener-sammenbrudd, elektroner "tunnel" fra valensbåndet av p side til ledningsbåndet på n side. I klassisk fysikk burde elektroner ikke ha vært i stand til å krysse over på denne måten. Tunneling er faktisk et kvantemekanisk fenomen, som kommer fra elektroner som har bølgeegenskaper.

Sannsynligheten for at en elektron er tunnelen på tvers er høyere når romladningsområdet er smalere, og når det elektriske feltet er større. Vanligvis oppstår Zener-sammenbrudd der materialer som brukes til å konstruere p-n krysset er tungt dopet. I disse veikryssene, på grunn av tung doping, er romladningsregionen ganske smal selv når krysset er under tilbakelent forspenning.

Figur 5: Zener-sammenbrudd

Snøfallssvikt

Ved skred av avløp får ladetransportører i romladningsområdet så mye kinetisk energi fra å være akselerert elektrisk felt at de kan kollidere med gitteratomer og rive elektroner vekk fra dem, og skape elektronparpar. Dette er også kjent som påvirkning jonisering. Disse nylig separerte elektroner og hull blir også akselerert av det elektriske feltet, og gir dem store mengder kinetisk energi. I mellomtiden er de opprinnelige ladestyrene, som mistet energi under kollisjonen, også akselerert. Følgelig har både originale ladestyrere og de nylig separerte segene nå kapasiteten til å forårsake trekkjonisering. Prosessen kalles "lavine" -brudd fordi hver og flere kollisjoner gir flere og flere ladetransportører mulighet til å forårsake fremtidige påvirkningsmonisasjoner.

Når det gjelder energibånd, må den innkommende ladningsbærerens kinetiske energi være større enn energien "gapet" mellom lednings- og valensbånd for støt ionisering å finne sted. Så, når kollisjonen finner sted og elektronhullsparet dannes, er denne elektronen og hullet hovedsakelig i lednings- og valansbåndene henholdsvis.

Figur 6: Skred av snøskred. Diagrammet viser kun svært energiske hull som skaper elektronhullspar. Elektronene vil også akselerere i mellomtiden og skape enda flere elektronhullspar gjennom kollisjoner med gitteratomer.

For de fleste dioder er avalancheoppdeling den dominerende effekten. For en gitt diode bestemmes den dominerende effekten av materialet som brukes til å konstruere krysset og også ved nivået av doping.

Forskjellen mellom Zener og lavine-sammenbrudd

• Zener nedbrytning og lavin bryte ned prosesser hvor dioder begynner å utføre betydelige strømmer, når de er utsatt for høy bakspenning.

• Zener-sammenbrudd oppstår når dopningsnivåene er høye, og involverer elektroner tunneling fra valensbåndet til p side til ledningsbåndet på n side.

• Snøfallssvikt oppstår når ladningsbærere som akselereres av det elektriske feltet, får nok kinetisk energi slik at de ioniserer gitteratomer når de kolliderer med gitteratomer for å produsere elektron-ionpar. Disse parene forårsaker ytterligere ioniseringer, som fører til en "lavine" -effekt.

referanser

Grove, A. (1967). Fysikk og teknologi for halvleder enheter. John Wiley & Sons.

Neamen, D. A. (2012). Semiconductor Fysikk og enheter: Grunnleggende prinsipper (4. ed.). McGraw-Hil.

Ng, K. K. (2002). Komplett guide til halvlederutstyr (2. utgave). Wiley-IEEE Press.

Walker, J. (2014). Fundamentals of Physics Halliday & Resnick (10. utgave). Wiley.