Verschil tussen Zener en Avalanche Breakdown

Zener-uitval en lawine-uitval zijn processen die ervoor zorgen dat de tegenstroom doorstroomt p-n kruispunten in dioden wanneer grote omgekeerde voorspanningen worden toegepast.

Achtergrond van Zener Breakdown en Avalanche Breakdown

De p-n Junction Under Equilibrium

EEN p-n knooppunt bestaat uit een p-type halfgeleider in contact met een n-type halfgeleider. Wanneer ze in contact worden gebracht, diffunderen elektronen en gaten vanaf de zijkant dat ze meer geconcentreerd zijn aan de zijkant dat ze minder geconcentreerd zijn. Deze stroom van meerderheidsdragers als gevolg van een concentratiegradiënt wordt a genoemd diffusiestroom.

De meeste luchtvaartmaatschappijen op de n kant zijn elektronen, en dus diffunderen ze over naar de p kant, verlaat de n kant positief geladen. Evenzo zijn gaten, die hoofdvervoerders zijn van de p kant, verspreid naar de n kant, verlaat de p kant met een negatieve lading. Deze geladen gebieden vormen de ruimteladingsgebied (of de uitputting regio).

Uiteindelijk geven de geladen gebieden aanleiding tot een elektrisch veld, dat fungeert als een potentiële barrière tegen de diffusiestroom. Dit elektrisch veld veegt ook minderheidsdragers over het ruimteladingsgebied - d.w.z. elektronen van de p kant naar n kant en gaten van n kant naar p kant. Deze stroom van minderheidsdragers wordt de driftstroom, en het is in de richting tegengesteld aan die van de diffusiestroom. Een evenwicht wordt bereikt, waarbij de driftstroom gelijk is aan de diffusiestroom, waardoor de netto- huidige stroom over de junctie nul.

Figuur 1: De pn-overgang in evenwicht; Boven: De energiebanden, Midden: Schematisch, Hieronder: Richtingen

De p-n Kruising onder Forward Bias

EEN p-n knooppunt is in voorwaartse bias wanneer een spanning wordt toegepast over de p-n verbinding extern, met de p kant verbonden met het meer positieve potentieel dan de n kant. Het verbinden in voorwaartse bias vermindert de potentiële barrière tegen de diffusiestroom en vermindert ook de breedte van de ruimtelading. De diffusiestroom neemt aanzienlijk toe als gevolg van de verminderde potentiaalbarrière. De driftstroom blijft echter vrijwel ongewijzigd. Het totale resultaat is een netto stroomsterkte die van stroomt p kant naar n kant.

Naarmate de voorwaartse spanning over de diode verder wordt verhoogd, neemt de stroom exponentieel toe. Bij zeer hoge voorwaartse spanningen verzadigt de voorwaartse stroom en kan door verwarmingseffecten de diode breken.

Figuur 2: De pn-overgang in voorwaartse bias 

De p-n Kruising onder omgekeerde voorinstelling

De p-n knooppunt is in tegengestelde richting als er spanning wordt aangelegd over de kruising, met de n kant is verbonden met het meer positieve potentieel. Hier wordt de potentiële barrière voor de diffusiestroom en de breedte van de ruimtelading verhoogd. Omdat de potentiële barrière nu groot is, neemt de diffusiestroom af. De driftstroom verandert niet significant. Het totale resultaat is een kleine netto stroom die vloeit uit n kant naar p kant, die de omgekeerde verzadigingsstroom (). Het verhogen van de sperspanning over de junctie veroorzaakt verder geen verandering van de stroom totdat, bij grote omgekeerde spanningen, Zener en lawinedoorslagprocessen grote tegenstroomstromen veroorzaken.

Figuur 3: De p-n-overgang onder omgekeerde bias

Voor een typische diode worden deze effecten samengevat in de volgende stroom versus spanningsgrafiek:

Figuur 4: Stroom versus spanningsgrafiek voor een ideale diode

Afbreken

Diodes laten alleen een aanzienlijke stroom toe als ze in voorspanning worden aangesloten. Daarom kunnen ze worden gebruikt om ervoor te zorgen dat de stroom in een circuit langs een bepaalde richting stroomt. Zo kunnen diodes worden gebruikt om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. Echter, zoals hierboven vermeld, kan een grote sperspanning ervoor zorgen dat de tegenstroom begint te stromen. Dit wordt aangeduid als afbreken, en kan plaatsvinden als "Zener-uitsplitsing" of als "lawinedoorslag". De verschillen tussen de twee soorten uitsplitsingen worden hieronder uiteengezet.

Zener Breakdown

Bij Zener-uitsplitsing "elektronen" uit de valentieband van de p zijde van de geleidingsband op de n kant. In de klassieke fysica hadden elektronen op deze manier niet moeten kunnen oversteken. Tunneling is in feite een kwantummechanisch fenomeen, dat ontstaat door elektronen met golfeigenschappen.

De kans dat een elektron doorloopt, is groter wanneer het ruimteladingsgebied smaller is en het elektrische veld groter is. Doorgaans vindt afbraak van Zener plaats wanneer materialen worden gebruikt om het te maken p-n knooppunten zijn zwaar gedoteerd. In deze knooppunten is het ruimteladingsgebied, vanwege zware dotering, vrij smal, zelfs wanneer de kruising onder een omgekeerde voorspanning staat.

Figuur 5: Zener Breakdown

Lawine afbraak

Bij lawinedoorslag winnen ladingsdragers in het ruimteladingsgebied zoveel kinetische energie uit een versneld elektrisch veld dat ze kunnen botsen met roosteratomen en elektronen ervan wegtrekken, waardoor elektron-gatparen ontstaan. Dit staat ook bekend als impact ionisatie. Deze nieuw gescheiden elektronen en gaten worden dan ook versneld door het elektrische veld, waardoor ze grote hoeveelheden kinetische energie krijgen. In de tussentijd worden de oorspronkelijke ladingsdragers, die tijdens de botsing energie verloren, ook versneld. Bijgevolg hebben zowel de oorspronkelijke ladingsdragers als de recent gescheiden ladingen nu het vermogen om impactionisatie te veroorzaken. Het proces wordt "lawine" -afbraak genoemd omdat bij elke botsing steeds meer ladingdragers beschikbaar worden gemaakt om toekomstige impactionisaties te veroorzaken.

In termen van energiebanden moet de kinetische energie van de inkomende ladingsdrager groter zijn dan de energie "kloof" tussen geleiding en valentiebanden om impact ionisatie te laten plaatsvinden. Dan, zodra de botsing plaatsvindt en het elektron-gatpaar wordt gevormd, bevinden dit elektron en het gat zich in wezen in de respectievelijke geleidings- en valancebanden.

Figuur 6: Lawine-uitsplitsing. Het diagram toont alleen zeer energieke gaten waardoor elektron-gat paren ontstaan. Elektronen zouden in de tussentijd ook versnellen en nog meer elektron-gatparen creëren door botsingen met roosteratomen.

Voor de meeste diodes is lawinedoorslag het dominante effect. Voor een gegeven diode wordt het dominante effect bepaald door het materiaal dat wordt gebruikt om de verbinding te construeren en ook door het niveau van doping.

Verschil tussen Zener en Avalanche Breakdown

• Zener-doorslag en lawinedoorslag zijn processen waarbij dioden beginnen met het uitvoeren van significante stromen, wanneer ze onderhevig zijn aan een hoge sperspanning.

• Zener-afbraak vindt plaats wanneer de dopingniveaus hoog zijn en er elektronen tunnelen vanuit de valentieband van de p zijde van de geleidingsband op de n kant.

• Lawineverslapping treedt op wanneer ladingsdragers die worden versneld door het elektrisch veld voldoende kinetische energie krijgen, zodat ze, wanneer ze botsen met roosteratomen, de roosteratomen ioniseren om elektronen-ionenparen te produceren. Deze paren veroorzaken op hun beurt verdere ionisaties, wat leidt tot een "lawine" -effect.

Referenties

Grove, A. (1967). Fysica en technologie van halfgeleiderelementen. John Wiley & Sons.

Neamen, D.A. (2012). Halfgeleiderfysica en -apparatuur: basisprincipes (4de uitgave). McGraw-Hil.

Ng, K.K. (2002). Complete gids voor halfgeleiderapparaten (2e ed.). Wiley-IEEE Press.

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