Unterschied zwischen Zener und Lawinenzusammenbruch

Zenerausfall und Lawinenausfall sind Prozesse, durch die Rückströme fließen p-n Übergänge in Dioden, wenn große Sperrspannungen angelegt werden.

Hintergrund des Zener-Zusammenbruchs und des Lawinenzusammenbruchs

Das p-n Verbindungsstelle im Gleichgewicht

EIN p-n Kreuzung besteht aus einem p-Typ Halbleiter in Kontakt mit einem n-Typ Halbleiter. Wenn sie in Kontakt gebracht werden, diffundieren Elektronen und Löcher von der Seite, so dass sie mehr zur Seite konzentriert sind, sodass sie weniger konzentriert sind. Dieser Fluss der Majoritätsträger aufgrund eines Konzentrationsgradienten wird als a bezeichnet Diffusionsstrom.

Die Mehrheitsträger auf der n Seite sind Elektronen, und so diffundieren sie zum p Seite verlassen, die n Seite positiv geladen. Ähnlich Löcher, die Mehrheitsträger der sind p Seite diffundieren bis zum n Seite verlassen, die p Seite mit einer negativen Ladung. Diese aufgeladenen Regionen bilden die Raumladungsregion (oder der Verarmungsbereich).

Schließlich erzeugen die geladenen Bereiche ein elektrisches Feld, das als potentielle Barriere für den Diffusionsstrom wirkt. Dieses elektrische Feld überstreicht auch Minoritätsträger über den Raumladungsbereich, d.h. Elektronen aus der p Seite zu n Seite und Löcher von n Seite zu p Seite. Dieser Fluss von Minderheitsträgern heißt Driftstrom, und es ist in der Richtung entgegengesetzt zu der des Diffusionsstroms. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem der Driftstrom gleich dem Diffusionsstrom ist, wodurch der Netz Stromfluss über den Knotenpunkt Null.

Abbildung 1: Der pn-Übergang im Gleichgewicht; Oben: Die Energiebänder, Mitte: Schematisch, Unten: Richtungen

Das p-n Kreuzung unter Forward Bias

EIN p-n Der Übergang befindet sich in Durchlassrichtung, wenn eine Spannung an den angelegt wird p-n Verbindung extern mit der p Seite mit dem positiveren Potential verbunden als die n Seite. Das Anschließen in Vorwärtsrichtung reduziert die Potentialbarriere für den Diffusionsstrom und verringert auch die Ladungsbreite im Raum. Durch die reduzierte Potentialbarriere steigt der Diffusionsstrom erheblich an. Der Driftstrom bleibt jedoch nahezu unverändert. Das Gesamtergebnis ist ein Nettostrom, aus dem fließt p Seite zu n Seite.

Wenn die Vorwärtsspannung an der Diode weiter erhöht wird, steigt der Strom exponentiell an. Bei sehr hohen Durchlassspannungen sättigt sich der Durchlassstrom, und Erwärmungseffekte können dazu führen, dass die Diode bricht.

Abbildung 2: Der p-n-Übergang in Durchlassrichtung 

Das p-n Kreuzung unter umgekehrter Vorspannung

Das p-n Der Übergang befindet sich in Sperrrichtung, wenn an den Übergang eine Spannung angelegt wird n Seite ist mit dem positiveren Potential verbunden. Hier werden die Potentialbarriere für den Diffusionsstrom und die Ladungsbreite im Raum erhöht. Da die Potentialbarriere jetzt groß ist, fällt der Diffusionsstrom ab. Der Driftstrom ändert sich nicht wesentlich. Das Gesamtergebnis ist ein kleiner Nettostrom n Seite zu p Seite, die das genannt wird umgekehrter Sättigungsstrom (). Das Erhöhen der Sperrspannung an der Verbindungsstelle bewirkt weiterhin keine Änderung des Stroms, bis bei großen Sperrspannungen Zener- und Lawinendurchbruchprozesse zu großen Flussströmen führen.

Abbildung 3: Der p-n-Übergang unter Sperrspannung

Für eine typische Diode werden diese Effekte in der folgenden Strom-Spannungs-Grafik zusammengefasst:

Abbildung 4: Strom-Spannungs-Diagramm für eine ideale Diode

Nervenzusammenbruch

Dioden lassen nur dann einen erheblichen Strom fließen, wenn sie in Vorwärtsrichtung geschaltet sind. Sie können daher verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Strom in einer Schaltung entlang einer bestimmten Richtung fließt. Beispielsweise können Dioden verwendet werden, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Wie oben erwähnt, kann eine große Sperrspannung jedoch dazu führen, dass Sperrströme fließen. Dies wird als bezeichnet Nervenzusammenbruch, und kann entweder als "Zener-Ausfall" oder als "Lawinenausfall" erfolgen. Die Unterschiede zwischen den beiden Arten der Aufteilung sind unten aufgeführt.

Zener-Zusammenbruch

Beim Zener - Zusammenbruch "tunneln" Elektronen aus dem Valenzband der p Seite zum Leitungsband an der n Seite. In der klassischen Physik hätten Elektronen auf diese Weise nicht übergehen können. Tunneln ist tatsächlich ein quantenmechanisches Phänomen, das von Elektronen mit Welleneigenschaften herrührt.

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron über einen Tunnel tunnelt, ist höher, wenn der Raumladungsbereich enger ist und das elektrische Feld größer ist. In der Regel kommt es zu einem Zener-Zusammenbruch, wenn Materialien verwendet werden, mit denen der Zener aufgebaut wird p-n Verbindungsstelle sind stark dotiert. In diesen Übergängen ist der Raumladungsbereich aufgrund der starken Dotierung ziemlich schmal, selbst wenn der Übergang unter Sperrspannung steht.

Abbildung 5: Zener-Zusammenbruch

Lawinenzusammenbruch

Beim Lawinenzusammenbruch gewinnen Ladungsträger im Raumladungsbereich durch das beschleunigte elektrische Feld so viel kinetische Energie, dass sie mit Gitteratomen kollidieren und Elektronen von ihnen abreißen können, wodurch Elektronen-Loch-Paare entstehen. Dies ist auch bekannt als Auswirkungen der Ionisierung. Diese neu getrennten Elektronen und Löcher werden dann auch durch das elektrische Feld beschleunigt, wodurch sie viel kinetische Energie erhalten. In der Zwischenzeit werden auch die ursprünglichen Ladungsträger, die während der Kollision Energie verloren haben, beschleunigt. Infolgedessen haben sowohl die ursprünglichen als auch die kürzlich getrennten Ladungsträger nun die Fähigkeit, eine Aufprallionisation zu verursachen. Der Prozess wird als "Lawinenbruch" bezeichnet, da mit jeder Kollision immer mehr Ladungsträger zur Verfügung gestellt werden, um zukünftige Aufprallionisierungen zu verursachen.

In Bezug auf Energiebänder muss die kinetische Energie des ankommenden Ladungsträgers größer sein als die Energielücke zwischen den Leitungs- und Valenzbändern, damit die Aufprallionisation stattfinden kann. Sobald die Kollision stattfindet und das Elektronen-Loch-Paar gebildet ist, befinden sich dieses Elektron und das Loch im Wesentlichen in den Leitungs- bzw. Valanzbändern.

Abbildung 6: Lawinenstörung. Das Diagramm zeigt nur sehr energiereiche Löcher, die Elektron-Loch-Paare erzeugen. Elektronen würden in der Zwischenzeit ebenfalls beschleunigen und durch Kollisionen mit Gitteratomen noch mehr Elektronen-Loch-Paare erzeugen.

Bei den meisten Dioden ist der Lawinenausfall der dominierende Effekt. Für eine gegebene Diode wird der dominante Effekt durch das Material, aus dem der Übergang hergestellt wird, sowie durch den Dotierungsgrad bestimmt.

Unterschied zwischen Zener und Lawinenzusammenbruch

• Zenerdurchbruch und Lawinendurchbruch sind Prozesse, bei denen Dioden anfangen, signifikante Ströme zu leiten, wenn sie einer hohen Umkehrspannung ausgesetzt sind.

• Ein Zenerdurchbruch tritt auf, wenn die Dotierungsniveaus hoch sind und Elektronen aus dem Valenzband des Tunnels tunneln p Seite zum Leitungsband an der n Seite.

• Ein Lawinenzusammenbruch tritt auf, wenn Ladungsträger, die durch das elektrische Feld beschleunigt werden, genügend kinetische Energie gewinnen, so dass sie, wenn sie mit Gitteratomen kollidieren, die Gitteratome ionisieren, um Elektronen-Ionen-Paare zu erzeugen. Diese Paare verursachen wiederum weitere Ionisierungen, was zu einem "Lawineneffekt" führt.

Verweise

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