Skillnad mellan Zener och lavinbrytning

Nedbrytning av zener och lavin brytning är processer som orsakar omvänd ström att strömma genom p-n korsningar i dioder när stora spänningar med omvänd bias tillämpas.

Bakgrunden för Zener-uppdelning och snedvridning

De p-n Junction Under Equilibrium

en p-n korsningen består av a p-typ halvledare i kontakt med en n-typ halvledare. När de kommer i kontakt diffunderar elektroner och hål från sidan att de är mer koncentrerade till den sida som de är mindre koncentrerade. Detta flöde av majoritetsbärare på grund av en koncentrationsgradient kallas a diffusionsströmmen.

De flesta bärare på n sidan är elektroner, och så diffunderar de över till p sida, lämnar n sida positivt laddad. På samma sätt hål, som är majoritetsbärare av p sida, diffus över till n sida, lämnar p sida med negativ laddning. Dessa laddade regioner bildar rymdladdningsregion (eller den utarmningsområdet).

Så småningom ger de laddade områdena upphov till ett elektriskt fält, vilket verkar som ett potentiellt hinder för diffusionsströmmen. Detta elektriska fält sveper också minoritetsbärare över rymdladdningsregionen, dvs elektroner från p sida till n sida och hål från n sida till p sida. Detta flöde av minoritetsbärare kallas driftström, och det ligger i motsatt riktning mot diffusionsströmmen. En jämvikt upprättas där driftströmmen är lika med diffusionsströmmen, vilket gör netto strömflöde över korsningen noll.

Figur 1: P-n-korsningen i jämvikt; Top: Energiband, Mellan: Schematisk, Nedan: Vägbeskrivning

De p-n Junction under Forward Bias

en p-n korsningen är i framåtriktad förspänning när en spänning appliceras över p-n korsning utvändigt, med p sida kopplad till den mer positiva potentialen än n sida. Anslutning i framåtriktad bias minskar det potentiella hindret för diffusionsströmmen och minskar också rymdladdningsbredden. Diffusionsströmmen ökar väsentligt som ett resultat av den reducerade potentiella barriären. Driftströmmen är dock nästan oförändrad. Det övergripande resultatet är en nätström som strömmar från p sida till n sida.

När framspänningen över dioden ökar ytterligare ökar strömmen exponentiellt. Vid mycket höga framspänningar kan de främre strömmättningarna och uppvärmningseffekterna leda till att dioden bryts.

Figur 2: P-n-klyftan i framåtriktad förspänning 

De p-n Junction under Reverse Bias

De p-n korsningen är i motsatt riktning när spänningen appliceras över korsningen, med n sidan är kopplad till den mer positiva potentialen. Här ökas potentialpotentialen för diffusionsströmmen och rymdladdningsbredden. Eftersom potentialpotentialen nu är stor, sjunker diffusionsströmmen. Driftströmmen förändras inte signifikant. Det övergripande resultatet är en liten nettström som strömmar från n sida till p sida, som kallas omvänd mättnadsström (). Ökning av omvänd spänning över korsningen medför vidare att strömmen inte ändras till dess att vid stora backspänningar orsakar Zener och lavin brytningsprocesser stora omvända strömmar att flöda.

Figur 3: P-n-korsningen under omvänd förspänning

För en typisk diod sammanfattas dessa effekter i följande nuvarande vs spänningsdiagram:

Figur 4: Ström vs spänningsdiagram för en ideal diod

Bryta ner

Dioder tillåter endast en stor ström att strömma när de är anslutna i framåtriktad förspänning. Därför kan de användas för att säkerställa att strömmen i en krets strömmar längs en given riktning. Dioder kan exempelvis användas för att omvandla växelström till likström. Men som nämnts ovan kan en stor omvänd spänning orsaka omvänd strömmar att strömma. Detta kallas bryta ner, och kan äga rum antingen som "Zener-uppdelning" eller som "snedbrytning". Skillnaderna mellan de två typerna av nedbrytning beskrivs nedan.

Zener-uppdelning

I Zener-nedbrytning, elektroner "tunnel" från valensbandet av p sida till ledningsbandet på n sida. I klassisk fysik borde elektroner inte ha kunnat korsa sig på detta sätt. Tunneling är i själva verket ett kvantmekaniskt fenomen, som kommer från elektroner som har vågegenskaper.

Sannolikheten för en elektron till tunnel tvärs är högre när rymdladdningsregionen är smalare och när det elektriska fältet är större. Vanligtvis uppstår Zener-uppdelning där material används för att konstruera p-n korsningen är tungt dopad. I dessa korsningar, på grund av tung dopning, är rymdladdningsregionen ganska smal även när korsningen ligger under omvänd förspänning.

Figur 5: Zener-uppdelning

Snöskredsfördelning

Vid avrinningsavbrott får laddningsbärare i rymdladdningsområdet så mycket kinetisk energi från att accelerera det elektriska fältet att de kan kollidera med gitteratomer och riva elektroner bort från dem, vilket skapar elektronhålpar. Detta är också känt som påverkan jonisering. Dessa nyligen separerade elektroner och hål accelereras sedan av det elektriska fältet, vilket ger dem stora mängder kinetisk energi. Under tiden accelereras de ursprungliga laddningsbärarna, som förlorade energi under kollisionen. Följaktligen har både ursprungliga laddningsbärare liksom de nyligen separerade sig kapaciteten att ge upphov till jonisering. Processen kallas "lavin" -fördelning eftersom varje och samma kollision gör att allt fler laddningsbärare görs tillgängliga för att orsaka framtida påverkan av joniseringar.

När det gäller energiband måste den inkommande laddningsbärarens kinetiska energi vara större än energikapaciteten mellan lednings- och valensband för att joniseringen ska kunna ske. Sedan, när kollisionen äger rum och elektronhålparet bildas, är denna elektron och hålet i huvudsak i lednings- och valansbandet.

Figur 6: Snedvridningsfördelning. Diagrammet visar bara höga energiska hål som skapar elektronhålpar. Elektronerna skulle också accelereras under tiden och skapa ännu fler elektronhålpar genom kollisioner med gitteratomer.

För de flesta dioder är snedbrytning den dominerande effekten. För en given diod bestäms den dominerande effekten av det material som används för att konstruera korsningen och även av dopningsnivån.

Skillnad mellan Zener och lavinbrytning

• Zener-nedbrytning och lavinbrytning är processer genom vilka dioder börjar åstadkomma signifikanta strömmar, när de är föremål för hög backspänning.

• Zener uppdelning sker när dopningsnivåerna är höga och involverar elektroner tunnlar från valensbandet av p sida till ledningsbandet på n sida.

• Snedbrytning uppstår när laddningsbärare som accelereras av det elektriska fältet uppnår tillräckligt med kinetisk energi så att de, när de kolliderar med gitteratomer, joniserar gitteratomerna för att producera elektron-jonpar. Dessa par orsakar i sin tur ytterligare joniseringar, vilket leder till en "lavin" -effekt.

referenser

Grove, A. (1967). Fysik och teknik för halvledarapparater. John Wiley & Sons.

Neamen, D. A. (2012). Semiconductor Physics and Devices: Grundprinciper (4: e upplagan). McGraw-Hil.

Ng, K. K. (2002). Komplett guide till halvledarenheter (Andra ed.). Wiley-IEEE Press.

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