Diferența dintre Zener și Avalanche Breakdown

Distrugerea de la Zener și distrugerea avalanșei sunt procese care determină curgerea inversă a curenților p-n joncțiuni în diode atunci când sunt aplicate tensiuni mari de inversare.

Contextul defecțiunii Zener și defalcarea avalanșei

 p-n Junction Under Equilibrium

A p-n joncțiunea constă dintr-o p-tip semiconductor în contact cu un semiconductor n-tip semiconductor. Când sunt puse în contact, electronii și găurile difuze din lateral încât sunt mai concentrate pe partea laterală încât sunt mai puțin concentrate. Acest flux al transportatorilor majoritari datorită unui gradient de concentrare se numește a curentul de difuzie.

Transportatorii majoritari pe n partea sunt electroni, și astfel difuzează pe ele p lateral, lăsând n laterale încărcate pozitiv. În mod similar găurile, care sunt purtătoare majoritare ale p lateral, difuzează spre n lateral, lăsând p partea cu o sarcină negativă. Aceste regiuni încărcate formează spațiu de încărcare spațială (sau epuizare).

În cele din urmă, regiunile încărcate dau naștere unui câmp electric, care acționează ca o barieră potențială a curentului de difuzie. Acest câmp electric îndepărtează, de asemenea, transportatorii minoritari din regiunea de încărcare spațială - adică. electroni de la p partea de la n laterale și găuri de la n partea de la p latură. Acest flux de transportatori minoritari se numește curentul de derivație, și este în direcția opusă celei a curentului de difuzie. Se stabilește un echilibru, în care curentul de derivație este egal cu curentul de difuzie, ceea ce face ca net fluxul curent peste joncțiunea zero.

Figura 1: Legătura p-n în echilibru; Sus: Benzile de energie, Orientul Mijlociu: Schematică, Mai jos: Direcții

p-n Junction în direcția Forward Bias

A p-n joncțiunea este în părtinire înainte atunci când se aplică o tensiune pe p-n joncțiune externă, cu p partea conectată la potențialul mai pozitiv decât n latură. Conectarea în biasul față reduce bariera potențială la curentul de difuzie și, de asemenea, reduce lărgimea de încărcare a spațiului. Curentul de difuzie crește substanțial ca rezultat al barierului potențial redus. Curentul de derivație, totuși, rămâne practic neschimbat. Rezultatul general este un curent net care curge de la p partea de la n latură.

Pe măsură ce tensiunea în direcția diodei crește în continuare, curentul crește în mod exponențial. La tensiuni foarte înalte înainte, saturațiile de curent în față și efectele de încălzire pot cauza întreruperea diodelor.

Figura 2: joncțiunea p-n în părtinirea față 

p-n Junction în Reverse Bias

p-n joncțiunea este în părtinire inversă atunci când tensiunea este aplicată peste joncțiune, cu n partea este conectată la potențialul mai pozitiv. Aici, bariera potențială a curentului de difuzie și lățimea de încărcare spațială sunt mărită. Deoarece bariera potențială este acum mare, curentul de difuzie scade. Curentul de derivație nu se schimbă semnificativ. Rezultatul general este un mic curent net care curge n partea de la p lateral, care este numit inversarea curentului de saturație (). Creșterea tensiunii inverse în joncțiune nu determină nici o schimbare a curentului până când, la tensiunile inverse mari, procesele Zener și avalanșele de rupere determină curgerea unor mari curenți inversi.

Figura 3: Legătura p-n în cazul părții inverse

Pentru o diodă tipică, aceste efecte sunt rezumate în următorul grafic vs. curent:

Figura 4: Graficul de curent vs. tensiune pentru o diodă ideală

Pană

Diodurile permit doar un curent considerabil să curgă atunci când acestea sunt conectate în direcția de avansare. Prin urmare, ele pot fi folosite pentru a asigura că curentul dintr-un circuit curge de-a lungul unei direcții date. De exemplu, diodele pot fi folosite pentru a converti curentul alternativ la curent continuu. Totuși, așa cum am menționat mai sus, o tensiune inversă mare poate provoca curgerea inversă a curenților. Acest lucru este denumit pană, și poate avea loc fie ca "defalcare Zener", fie ca "defalcare avalanșă". Diferențele dintre cele două tipuri de defalcări sunt prezentate mai jos.

Zener Breakdown

În defalcarea lui Zener, "tunelul" electronilor din banda de valență a p lateral la banda de conducere de pe n latură. În fizica clasică, electronii nu ar fi trebuit să treacă în acest fel. Tunelul este, de fapt, un fenomen mecanic cuantic, care provine de la electroni care au proprietăți de undă.

Probabilitatea ca un electron să traverseze tunelul este mai mare atunci când regiunea de încărcare spațială este mai îngustă și când câmpul electric este mai mare. În mod obișnuit, defecțiunea Zener apare acolo unde materialele folosite pentru a construi p-n joncțiunii sunt puternic dopate. În aceste intersecții, datorită dopajului greu, regiunea spațială a încărcăturii este destul de îngustă chiar și atunci când joncțiunea este subversibilă.

Figura 5: Defalcarea Zener

Avalanche Breakdown

În cazul distrugerii avalanșelor, purtătorii de sarcină din regiunea de încărcare spațială câștigă atât de mult din energia cinetică din cauza câmpului electric accelerat, încât se pot ciocni cu atomii de zăbrele și pot distruge electronii, creând perechi de electroni. Acesta este, de asemenea, cunoscut sub numele de impactul ionizării. Aceste electroni și găuri nou-separate au fost apoi accelerate de câmpul electric, oferindu-le cantități mari de energie cinetică. Între timp, purtătorii de taxă originali, care au pierdut energie în timpul coliziunii, sunt, de asemenea, accelerați. În consecință, atât purtătorii de sarcină originali, cât și cei recent separați au acum capacitatea de a provoca ionizarea prin impact. Procesul se numește defalcare "avalanșă", deoarece, cu fiecare coliziune, din ce în ce mai mulți purtători de încărcătură sunt puse la dispoziție pentru a provoca viitoare ionizări de impact.

În ceea ce privește benzile de energie, energia cinetică a transportatorului de sarcină trebuie să fie mai mare decât "spațiul" energetic între benzile de conducție și valență pentru a avea loc ionizarea cu impact. Apoi, odată ce are loc coliziunea și se formează perechea de electroni, acest electron și gaura sunt în esență în benzi de conducție și de valtare.

Figura 6: Defalcarea avalanșelor. Diagrama arată numai găuri energetice foarte puternice, creând perechi de electroni-gauri. De asemenea, electronii ar accelera între timp și vor crea mai multe perechi de electroni prin gauri cu atomi de zăbrele.

Pentru majoritatea diodelor, distrugerea avalanșei este efectul dominant. Pentru o diodă dată, efectul dominant este determinat de materialul utilizat pentru a construi joncțiunea și de nivelul dopajului.

Diferența dintre Zener și Avalanche Breakdown

• Distribuția de la Zener și distrugerea avalanșei sunt procese prin care diodele încep să efectueze curenți semnificativi atunci când sunt supuși unei tensiuni inverse ridicate.

• Degradarea de la Zener se produce atunci când nivelurile de dopaj sunt ridicate și implică tuneluri de electroni din banda de valență p lateral la banda de conducere de pe n latură.

• Degradarea avalanșelor apare atunci când purtătoarele de încărcătură care sunt accelerate de câmpul electric câștigă suficientă energie cinetică astfel încât, atunci când se ciocnesc cu atomi de zăbrele, ei ionizează atomii de zăbrele pentru a produce perechi de electroni-ioni. Aceste perechi, la rândul lor, provoacă ionizări ulterioare, ducând la un efect de "avalanșă".

Referințe

Grove, A. (1967). Fizica și tehnologia dispozitivelor semiconductoare. John Wiley & Sons.

Neamen, D. A. (2012). Fizica și dispozitivele semiconductoare: Principii de bază (Ediția a 4-a). McGraw-Hil.

Ng, K. K. (2002). Ghid complet pentru dispozitivele semiconductoare (Ediția a 2-a). Wiley-IEEE Press.

Walker, J. (2014). Fundamentele fizicii Halliday & Resnick (Ediția a 10-a). Wiley.