Что такое пробой диода. Какие бывают виды пробоя диодов. Как происходит лавинный и туннельный пробой. Где применяются пробойные диоды в электронике. Чем отличаются стабилитроны и лавинные диоды.
Что такое пробой диода
Пробоем диода называется резкое увеличение обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. При пробое происходит нарушение выпрямляющих свойств p-n перехода.
Основные характеристики пробоя диода:
- Резкий рост обратного тока
- Наступает при определенном напряжении пробоя
- Может быть обратимым или необратимым
- Связан с увеличением числа носителей заряда в p-n переходе
Виды пробоя диодов
Выделяют три основных вида пробоя полупроводниковых диодов:
1. Электрический пробой
Включает в себя два механизма:
- Лавинный пробой — происходит из-за ударной ионизации
- Туннельный (зенеровский) пробой — связан с туннельным эффектом
2. Тепловой пробой
Возникает при чрезмерном разогреве p-n перехода из-за протекания большого тока. Является необратимым и приводит к разрушению диода.
3. Поверхностный пробой
Связан с образованием проводящих каналов на поверхности полупроводника. Встречается редко при правильном изготовлении диодов.
Механизм лавинного пробоя
Лавинный пробой возникает в слаболегированных p-n переходах при высоких обратных напряжениях. Основные этапы лавинного пробоя:
- Носители заряда ускоряются сильным электрическим полем
- При столкновении с атомами происходит ударная ионизация
- Образуются новые электронно-дырочные пары
- Процесс лавинообразно нарастает
- Происходит резкое увеличение обратного тока
Особенности туннельного пробоя
Туннельный пробой характерен для сильнолегированных p-n переходов с узкой областью объемного заряда. Его механизм:
- Электроны туннелируют из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области
- Не требуется ударная ионизация
- Происходит при более низких напряжениях, чем лавинный пробой
- Напряжение пробоя слабо зависит от температуры
Применение пробойных диодов
Диоды, работающие в режиме пробоя, широко используются в электронике:
- Стабилизация напряжения (стабилитроны)
- Ограничение напряжения
- Защита от перенапряжений
- Генерация шума
- Преобразование частоты
Стабилитроны и их характеристики
Стабилитрон — это специальный диод, работающий в режиме пробоя при обратном включении. Основные свойства стабилитронов:
- Напряжение стабилизации от 2 до 200 В
- Малое дифференциальное сопротивление в области пробоя
- Высокая температурная стабильность
- Малые шумы
- Высокое быстродействие
Лавинные диоды и их особенности
Лавинные диоды используют эффект лавинного размножения носителей заряда. Их ключевые характеристики:
- Высокие напряжения пробоя (десятки — сотни вольт)
- Крутой рост тока в области пробоя
- Большие токи в импульсном режиме
- Высокое быстродействие
- Применяются для защиты от перенапряжений
Сравнение стабилитронов и лавинных диодов
Основные отличия стабилитронов и лавинных диодов:
Параметр | Стабилитроны | Лавинные диоды |
---|---|---|
Механизм пробоя | Туннельный эффект | Лавинное умножение |
Напряжение пробоя | Низкое (единицы вольт) | Высокое (десятки-сотни вольт) |
Температурный коэффициент | Отрицательный | Положительный |
Основное применение | Стабилизация напряжения | Защита от перенапряжений |
Применение пробойных диодов в электронных схемах
Пробойные диоды используются во многих электронных устройствах:
- Стабилизаторы и источники опорного напряжения
- Ограничители амплитуды сигналов
- Схемы защиты от перенапряжений
- Генераторы шума
- Преобразователи напряжения
- Импульсные источники питания
Расчет напряжения пробоя диода
Напряжение пробоя диода зависит от многих факторов:
- Материал полупроводника
- Концентрация примесей
- Ширина p-n перехода
- Температура
Для приближенного расчета используются эмпирические формулы. Например, для кремниевых диодов:
Uпр ≈ Eg/(2q) * ln(NAND/ni2)
где Eg — ширина запрещенной зоны, NA и ND — концентрации акцепторов и доноров, ni — собственная концентрация носителей.
Моделирование пробоя диодов
При моделировании электронных схем с пробойными диодами используются:
- SPICE-модели диодов с учетом пробоя
- Кусочно-линейная аппроксимация ВАХ
- Аналитические модели пробоя
- Эмпирические модели на основе экспериментальных данных
Точное моделирование пробоя требует учета многих физических эффектов и является сложной задачей.
4. Пробой диодов
При достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения происходит резкое увеличение обратного тока через диод. Это явление называется пробоем диода. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный и тепловой пробои.
Лавинный пробой.Под действием сильного электрического поля, при котором носители заряда приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника, возникает лавины носителей заряда. Пробивное напряжение определяется концентрацией примеси в слаболегированной области, т.к. она определяет ширинуp-nперехода. С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, а значит, уменьшается и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в электрическом поле. Следовательно, повышение температуры приводит к увеличению пробивного напряжения при лавинном пробое (рис.
5). При возникновении лавинного пробоя возникают шумы. Вначале этот процесс неустойчив: он возникает, срывается, возникает снова. С увеличением тока процесс ударной ионизации становится устойчивым, и шумы исчезают. Это характерная особенность лавинного пробоя.Рис.5. Зависимость Uпробот температуры при лавинном пробое.
Туннельный пробой.Если ширина
потенциального барьера δ становится
достаточно малой, то возможно туннелирование
электронов сквозь запрещенную зону
полупроводника без изменения их энергии.
Внешне туннельный эффект проявляется
как пробой диода, при этом пробивное
напряжение обратно пропорционально
концентрации примесей. При одной и той
же ширине запрещенной зоны (для одного
и того же материала) ширина потенциального
барьера определяется напряженностью
электрического поля, т.е. наклоном
энергетических уровней и зон. Значение
критической напряженности электрического
поля составляет примерно 8·10
Рис.6. Зависимость Uпробот температуры при туннельном пробое.
Тепловой пробой.Тепловой пробой в диодах происходит с образованием так называемого «шнура» или канала высокой проводимости, температура в котором превышает среднюю температуру остальной частиp-nперехода. Образование шнура обычно вызвано дефектами вp-nпереходе. Если плотность обратного тока в каком-нибудь местеp-nперехода оказалась больше плотности тока в остальной части перехода, то температура этого места будет еще выше из-за выделяющегося тепла Джоуля-Ленца. Локальное увеличение температуры приводит к дальнейшему росту плотности тока, что вызывает локальное повышение температуры и т.д. Тепловой пробой может возникнуть и при малых обратных токах и напряжениях.
Экспериментальная установка.
Диоды помещены в иммерсионный термостат, который позволяет изменять и поддерживать определенную температуру. При достижении заданной температуры снимается вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода. На модуле установлены 4 диода, два из которых включены в прямом направлении (диоды из германия и кремния), а два других – в обратном.
Экспериментальная установка приведена на рис. 7.
Рис.7. Экспериментальная установка.
Электрическая схема измерения вольт-амперных характеристик диодов приведена на рис.8.
Рис.8. Электрическая схема для исследования ВАХ характеристик диодов.
Здесь E– источник тока,R- -сопротивление,A– амперметр,V– вольтметр. В качестве амперметра и вольтметра используются мультиметры, с автоматическим отключением питания. Если это произошло, то необходимо просто заново включить мультиметр.
Порядок выполнения работы.
1. Поместить измерительный модуль в водяную ванну.
2. Включить источник тока с помощью переключателя на задней панели прибора. Включить мультиметры, проверить правильность подключения соединительных проводов и выбранных пределов измерений.
Работа выполняется совместно со студентами младших курсов, поэтому при достижении заданной температуры сначала они производят свои измерения, а только потом производятся измерения ВАХ.
Для каждой из температур от комнатной до 70 ºС произвести следующие измерения.
2. Плавно изменяя напряжение на источнике питания от 0 до 800 мВ с шагом приблизительно 100 мВ снять зависимость тока через диоды D1 иD2 от напряжения. Данные занести в табл.1. Точного значения напряжения добиваться не надо, достаточно приближенных значений.
Табл.1.
tº, ºC
D1
D2
D3
D4
U, мВ
I,мА
U,мВ
I,мА
U,В
I, мкА
U,В
I,мкА
3. Изменяя напряжение от 0 до 10 В с шагом 1 В снять зависимость тока через диоды D3 иD4 от напряжения. Данные занести в табл.1. Точного значения напряжения добиваться не надо, достаточно приближенных значений.
4. Выключить термостат, мультиметры и источник тока.
Обработка результатов.
1. Построить ВАХ диодов D1 иD2 при комнатной температуре на одном графике.
2. Построить ВАХ при разных температурах для каждого из диодов D1,D2 ,D3 иD4.
3. По графикам определить Uпробдля диодовD3 иD4.
Пробой диода. Виды пробоя и их обратимость
⇐ Предыдущая123Следующая ⇒
Пробоем называется резкое увеличение обратного тока при достижении обратным напряжением определенного уровня, выше которого обратный ток возрастает с большим градиентом в узком диапазоне обратного напряжения.
Пробои переходов могут быть двух видов:
1) тепловой пробой;
2) электрический пробой.
В свою очередь электрический пробой делится на два типа: лавинный и туннельный.
Тепловой пробой является необратимым. Возникает он при нарушении баланса выделяемой в переходе мощности и мощности, рассеиваемой в окружающую среду.
Лавинным пробоем называют явление резкого повышения обратного тока в узком диапазоне прироста обратного напряжения, которое вызвано лавинообразным размножением носителей заряда в результате ударной ионизации атомов в области перехода.
Туннельным пробоем называется явление перехода электронов через энергетический барьер, высота которого больше энергии электрона. Туннельный пробой возможен в диодах, у которых в электронно-дырочных переходах:
1) толщина перехода меньше диффузионной длины свободного пробега электрона;
2) напряженность результирующего электрического поля не менее 108В/м;
3) на том же самом энергетическом подуровне, котором соответствует энергетическому состоянию электрона в соседней области, куда должен перейти электрон существует вакантное место, т. е. дырка.
Лавинный и туннельный пробои, в отличие от теплового пробоя, являются обратимыми. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.
2. Назначение резистора в цепи коллектора. Нарисуйте изменения напряжения на выходе усилителя при изменении Rк от 100 Ом до 10 Мом.
Служит для ограничения коллекторного тока и для обеспечения необходимого коэффициента усиления.
Задание №23
1. Пробой диода. Виды пробоя и их обратимость.
пробоем диода- явление когда обратное напряжение диода достигает определенного критического значения, ток диода начинает резко возрастать. Заметим, что пробой сопровождается выходом диода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода, и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в диоде, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя.
Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависти от типа диода и может иметь величину от единиц до сотен вольт.
Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода: электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. При электрическом пробое число носителей заряда в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки, при тепловом пробое – за счет термической ионизации атомов.
⇐ Предыдущая123Следующая ⇒ |
Дата добавления: 2015-05-06; Просмотров: 32080; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Пробойный диод
— определение, типы, отличия [Примечания GATE] диод.
Пробой диода происходит, когда вы прикладываете обратное смещение к диоду. Существует два типа пробоя в p-n переходах: лавинный и зенеровский. Когда диод рассчитан на определенное напряжение пробоя, он называется пробой диода . Напряжение пробоя перехода при обратном смещении можно изменять, выбирая концентрацию легирования перехода. Эффект Зинера (туннелирование) для резких переходов с чрезвычайно сильным легированием является механизмом пробоя. Однако более распространенным пробоем является лавинный (ударная ионизация) для слабо легированных или градиентных переходов.Варьируя легирование, мы можем изготавливать диоды с определенным напряжением пробоя в диапазоне от менее одного до нескольких сотен вольт. Эта статья даст вам обзор типов пробивных диодов: стабилитрон и лавинный диод. Вы узнаете об их свойствах, механизмах поломки и применении.
Загрузить полные примечания к формуле аналоговой схемы в формате PDF
Прочитать статью полностью
Что такое пробивной диод?
Если диод рассчитан на определенное напряжение пробоя, он называется пробивным диодом. Напряжение пробоя перехода при обратном смещении можно изменять, выбирая концентрацию легирования перехода. Эффект Зинера (туннелирование) для резких переходов с чрезвычайно сильным легированием является механизмом пробоя.
Однако более частым пробоем является лавинный (ударная ионизация) для слаболегированных или градиентных переходов. Лавинный срыв равномерен по всему стыку; напряжение пробоя почти постоянно при изменении тока. Механизм пробоя включает ударную ионизацию. В то же время диод Зенера представляет собой диод с PN-переходом с тонким переходом и сильным легированием.
Пробойный стабилитрон
Пробойный стабилитрон — это выпрямительный диод, который выдерживает пробой из-за обратного напряжения пробоя без отказа. Когда сильно легированный переход смещен в обратном направлении, энергетические зоны пересекаются при относительно низких напряжениях; из-за пересечения зон пустые состояния выравниваются в зоне проводимости n-стороны напротив множества заполненных состояний валентной зоны p-стороны. Предположим, что барьер, разделяющий эти две полосы, достаточно узок. В этом случае происходит туннелирование электронов, а туннелирование электронов из валентной зоны p-стороны в зону проводимости n-стороны представляет собой обратный ток от n к p; это эффект Зенера. Наконец, чистый ток развивается и увеличивается с увеличением электрического поля.
Эффект Зенера представляет собой полевую ионизацию атомов-хозяев на стыке. Обратное смещение сильно легированного перехода вызывает сильное электрическое поле в обедненной области; при критической напряженности поля электроны, участвующие в ковалентных связях, отрываются от связей электрическим полем и ускоряются к n-стороне перехода.
При обратном смещении пробивные диоды Зенера; изначально ток меньше. Ток утечки — это небольшой ток, который будет протекать через диод. В тот момент, когда оно достигает напряжения пробоя, ток резко возрастает. Это используется в применении регулирования напряжения. Когда напряжение на стабилитроне достигает напряжения пробоя, говорят, что это напряжение стабилитрона. Характеристическая кривая VI показана ниже.
Лавинный диод
Лавинный диод — это полупроводниковый прибор, работающий в области обратного пробоя. Лавинные диоды слабо легированы, и ширина обедненного слоя в лавинном диоде очень велика по сравнению с диодом Зенера; из-за этой широкой области обеднения обратный пробой происходит при более высоких напряжениях в лавинных диодах. Напряжение пробоя лавинных диодов тщательно устанавливается путем контроля уровня легирования. Лавинные диоды используются для защиты электрических систем от превышения напряжения.
Лавинный пробой происходит из-за того, что неосновные носители ускоряются достаточно, чтобы создать ионизацию в кристаллической решетке, создавая больше носителей, которые, в свою очередь, создают большую ионизацию. Характеристика VI лавинного диода в сравнении со стабилитроном показана ниже. На графике обратное напряжение пробоя у лавинного диода больше, чем у стабилитрона.
Различия между стабилитроном и диодом с лавинным пробоем
В диодах с PN-переходом возникают два типа пробоя. В приведенной ниже таблице показана разница между пробоем Зенера и лавинным пробоем:
Распада avalanche | Zener Разрушение |
Аваланши | Зинеровский пробой происходит в сильно легированных переходах с малой шириной обеднения. |
Требуется высокий обратный потенциал | Требуется низкий обратный потенциал |
Повышение температуры увеличивает напряжение пробоя. | Повышение температуры снижает напряжение пробоя. |
Происходит ударная ионизация. | Происходит ионизация полем |
Часто задаваемые вопросы о пробивных диодах
Какой диод является пробивным?
Зенеровские диоды известны как пробивные диоды . Этот переход сильно легирован и имеет узкую ширину обеднения. Пробой происходит из-за туннелирования электронов из валентной зоны p-стороны в зону проводимости n-стороны. Этот эффект называется полевой ионизацией.
Что такое пробой диода PN перехода?
В диодах с PN-переходом при обратном смещении и постепенном увеличении напряжения до определенного значения происходит увеличение обратного тока. Это нарушение соединения. Обратное напряжение, приложенное в этой точке, называется напряжением пробоя диода PN-перехода.
Почему происходит пробой диодов?
Пробой диода происходит при приложении к диоду обратного смещения. Существует два типа пробоя: один — пробой Зенера, а другой — лавинный пробой. Пробой стабилитрона происходит из-за полевой ионизации (туннельный эффект), а лавинный пробой происходит из-за ударной ионизации.
Что происходит, когда выходит из строя диод?
Диод имеет два механизма пробоя: лавинный пробой и зенеровский пробой. Когда обратное напряжение смещения достигает напряжения пробоя, диод пробивается и обратный ток увеличивается.
ESE & GATE EC
Electronic & Comm.gategate Eceseese Ecother Series
. ПриложениеGradeStack Learning Pvt. Ltd.Windsor IT Park, Tower — A, 2-й этаж,
Sector 125, Noida,
Uttar Pradesh 201303
Значение напряжения пробоя диода
Ключевые выводы
Диоды — это основные полупроводниковые компоненты в электронике, обладающие выпрямляющими свойствами.
Электрические характеристики диода зависят от полупроводникового материала, из которого изготовлен компонент.
Обратное напряжение пробоя диода — это электрическое свойство, которое сильно зависит от легирования и свойств материала полупроводника.
Вот как рассчитать напряжение пробоя такого диода, как этот простой pn-диод.
Современная электроника была бы невозможна без полупроводников, а одним из самых фундаментальных полупроводниковых устройств является диод. Любой, кто помнит свой 101 класс электроники, должен помнить функцию диода: заставить ток течь в одном направлении. Однако все диоды имеют напряжение пробоя, выше которого диод позволяет току течь в противоположном направлении (от катода к аноду). На самом деле это очень важно в некоторых приложениях, таких как мостовое выпрямление, защита от электростатического разряда, регулирование напряжения и многое другое.
Теперь возникает вопрос: насколько сильно диод может быть переведен в обратное смещение до того, как произойдет пробой? Если вы разработчик компонентов или строите систему для взаимодействия с другими компонентами по уникальному стандарту сигнализации, напряжение пробоя диода становится очень важным. Вот как возникает напряжение пробоя и что оно означает для ваших компонентов.
Уравнения для напряжения пробоя диода
Все диоды демонстрируют выпрямление при работе в прямом смещении и пробой при работе под высоким напряжением в обратном смещении. При большом обратном смещении точный механизм, вызывающий пробой и управляющий протеканием тока, различен для разных диодов (p-n-диод, диод Шоттки или стабилитрон). При рассмотрении уравнения, описывающего ток в диоде, учитывается только прямой ток; обратный ток, возникающий в результате пробоя диода, в этом уравнении отсутствует.
Поэтому справедливо спросить, каково напряжение пробоя диода? Ответ обычно можно найти в таблицах данных, но как рассчитать это значение? К сожалению, не существует единого уравнения пробоя диода, применимого ко всем устройствам. Есть несколько факторов, определяющих напряжение пробоя полупроводникового диода:
Физический механизм : В разных диодах преобладают два различных физических механизма: лавинный и туннельный. Оба механизма могут проявляться одновременно во время разрушения, но только один из них является доминирующим.
Профиль легирования : Распределение легирующих примесей и их градация в диоде влияют на напряжение пробоя.
Геометрия и структура : Геометрия диода влияет на распределение поля, особенно вблизи краев диода.
Поскольку точное напряжение пробоя будет зависеть от этих комплексных факторов, единой формулы напряжения пробоя, применимой ко всем диодам, не существует. Однако есть некоторые эмпирические результаты и важное уравнение из квантовой механики, которые могут помочь вам понять напряжение пробоя в диоде.
Лавинный пробой
При низкой плотности носителей лавинный пробой является доминирующим механизмом, вызывающим большой ток при высоком обратном напряжении смещения. Здесь нет определенного напряжения пробоя для диода, хотя есть зависимость между током и приложенным напряжением при обратном смещении. Это сформулировано как коэффициент умножения, и полный ток является произведением этого коэффициента и тока насыщения.
Множитель для лавинного пробоя в диоде.
В приведенном выше уравнении n находится в диапазоне от 2 до 6. При высокой плотности носителей квантовое туннелирование становится доминирующим механизмом, управляющим переносом заряда через диод. Этот тип транспорта при обратном смещении называется туннельным пробоем.
Пробой при туннелировании
Туннелирование всегда происходит, когда носитель заряда (электрон) сталкивается с потенциальным барьером, таким как барьер между областями p-типа и n-типа в стабилитроне. Когда концентрация носителей в полупроводниковом гетеропереходе превышает ~10 17 cm -3 , туннелирование станет доминирующим механизмом разрушения. Здесь вы можете рассчитать туннельный ток с точки зрения приложенного напряжения, но конкретного напряжения пробоя нет. Рассчитав вероятность туннелирования через переход как функцию профиля легирования, можно рассчитать плотность тока через гетеропереход с помощью приведенного ниже уравнения.
Туннельный ток из-за пробоя диода.
Определение этих символов можно найти во многих учебниках по полупроводниковым приборам. Обратите внимание, что потенциальная энергия на переходе V(x) зависит от профиля легирования и приложенного напряжения, поэтому это уравнение хорошо описывает распределение носителей заряда внутри диода. Поскольку этот тип пробоя возникает из-за более высокой концентрации носителей заряда в области перехода, напряжение пробоя ниже, чем при лавинном пробое.
Включение напряжения пробоя диода в моделирование SPICE
Симуляторы базовых цепей не всегда включают напряжение пробоя в свои электрические модели для диодов. Уравнение прямого тока обычно используется с типичным коэффициентом идеальности и значением тока насыщения. Это делается с помощью стандартного уравнения диода, которое можно определить численно в простых симуляторах аналоговых цепей.
Симуляторы SPICE используют другой подход и используют набор стандартных электрических параметров для всестороннего описания поведения любого диода. Значения этих параметров можно определить из таблиц данных или измерений. Эти электрические параметры включают в себя:
Ток насыщения
Паразитное последовательное сопротивление
Коэффициент эмиссии (диапазон от 1 до 2)
Время в пути
Емкость перехода при нулевом смещении
Встроенное напряжение на переходе
Плавный коэффициент легирования перехода (0,33 для линейного градиента, 0,5 для скачкообразного градиента)
Энергия активации
Экспонента температуры тока насыщения
Коэффициент истощения емкости прямого смещения
Напряжение и ток обратного пробоя
Лучшие симуляторы схем на основе SPICE предоставят вам доступ к стандартным моделям реальных диодов, таких как диоды 1NXXXX. Эти файлы моделей включают предопределенные значения электрических параметров. При создании модели компонента для другого диода электрические параметры необходимо скопировать в файл модели из измерений или таблиц данных перед моделированием. После этого модель можно присоединить к новой модели компонентов для стандартного моделирования, такого как анализ переходных процессов или анализ параметров. В этих моделях обратное напряжение пробоя явно включено, и его не нужно вычислять напрямую с помощью приведенного выше уравнения.
Если вам нужно выполнить моделирование цепей, включающее напряжение пробоя диода, программное обеспечение для проектирования переднего плана от Cadence и приложение PSpice Simulator позволяют выполнять различные анализы ваших цепей. У вас будет полный набор инструментов для создания и моделирования ваших схем во временной и частотной областях. После того, как вы спроектировали свои схемы, вы можете записать свои схемы в пустой макет и приступить к созданию своей печатной платы.