Avalanche Diode: Nguyên tắc làm việc & Ứng dụng

Ngày 13 tháng 1 năm 2020 bởi Điện4U

Diode Avalanche là gì?

Diode tuyết lở là một loại diode bán dẫn được thiết kế để trải nghiệm sự cố tuyết lở ở điện áp phân cực ngược quy định. Các lớp tiếp giáp pn của một trận tuyết lở diode được thiết kế để ngăn chặn sự tập trung hiện tại và kết quả các điểm nóng để các diode là không bị hư hại bởi sự cố sạt lở.

Sự cố tuyết lở xảy ra là do các chất mang thiểu số tăng tốc đủ để tạo ra sự ion hóa trong mạng tinh thể, tạo ra nhiều chất mang hơn, từ đó tạo ra nhiều ion hóa hơn. Do sự cố tuyết lở đồng đều trên toàn bộ đường giao nhau, điện áp sự cố gần như không đổi với dòng điện thay đổi khi so sánh với một diode không tuyết lở.

Cấu trúc của diode tuyết lở tương tự như diode Zener , và thực sự cả sự cố Zener và sự cố Avalanche đều có trong các điốt này. Điốt Avalanche được tối ưu hóa cho các điều kiện sự cố tuyết lở, vì vậy chúng thể hiện sự sụt giảm điện áp nhỏ nhưng đáng kể trong các điều kiện sự cố, không giống như điốt Zener luôn duy trì điện áp cao hơn sự cố.

Tính năng này cung cấp bảo vệ đột biến tốt hơn so với diode Zener đơn giản và hoạt động giống như thay thế ống xả khí. Điốt Avalanche có hệ số nhiệt độ dương nhỏ của điện áp, trong đó điốt dựa vào hiệu ứng Zener có hệ số nhiệt độ âm.

Các diode bình thường cho phép một dòng điện theo một hướng tức là hướng thuận. Trong khi đó, diode avalanche cho phép dòng điện theo cả hai hướng tức là hướng thuận và ngược nhưng nó được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong điều kiện sai lệch ngược.

Điều kiện thiên vị ngược trong Diode là gì?

Khi một cực dương của pin được kết nối với vùng N (cực âm) và cực âm với vùng P (cực dương), điểm nối được cho là bị phân cực ngược.

Bây giờ nếu một diode được pha tạp nhẹ ( nghĩa là nồng độ tạp chất ít hơn), thì chiều rộng của vùng suy giảm được tăng lên nên điện áp sự cố xảy ra ở điện áp rất cao .

Ở điện áp phân cực ngược rất cao, điện trường trở nên mạnh ở vùng cạn kiệt và một điểm đạt được khi gia tốc của sóng mang thiểu số lớn đến mức, khi chúng va chạm với các nguyên tử bán dẫn trong vùng cạn kiệt, chúng phá vỡ liên kết cộng hóa trị .

Vì vậy, các cặp lỗ electron được tạo ra. Các cặp lỗ electron mới được tạo ra cũng được gia tốc bởi điện trường dẫn đến va chạm nhiều hơn và tiếp tục tạo ra các hạt mang điện và nhân sóng mang.

Quá trình liên tục này làm tăng ngược dòng trong diode, và do đó các diode đi vào tình trạng phân hủy. Loại sự cố này được gọi là sự cố tuyết lở (lũ lụt) và hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng tuyết lở.

Vùng suy giảm trong Diode là gì?

Vùng suy giảm là vùng cách điện nơi dòng chảy của các hạt mang điện giảm. Các electron tự do từ phía N của diode tiếp giáp PN khuếch tán vào phía P nơi chúng kết hợp lại với các lỗ trống và nguyên tử trở nên tích điện âm. Nó được gọi là các ion bất động âm. Tương tự, các lỗ trống từ phía P khuếch tán vào phía N nơi chúng kết hợp lại với các electron và nguyên tử tự do trở nên tích điện dương. Nó được gọi là các ion bất động tích cực.

Sự kết hợp lại của các electron và lỗ trống phân rã theo cấp số nhân theo thời gian và do đó tồn tại một bức tường gần đường giao nhau với các ion bất động âm ở phía p và các ion bất động dương ở phía n. Do quá trình tái hợp này, một lớp cạn kiệt được hình thành ở cả hai phía của đường giao nhau.

Lớp này chỉ chứa các ion bất động và chúng có cực ngược nhau trên đường giao nhau. Lớp này không chứa bất kỳ sóng mang điện miễn phí nào do đó nó được gọi là vùng cạn kiệt, lớp cạn kiệt hoặc vùng cách điện.

Các ion bất động và các ion di động là gì?

Các ion bất động là các ion cố định của các nguyên tử tạp chất và không thể di chuyển. Các ion di động là các ion miễn phí và mang điện tích.

Trái phiếu hóa trị là gì?

Sự chia sẻ của một electron giữa hai nguyên tử tạo thành liên kết cộng hóa trị.

Liên kết cộng hóa trị là một trong đó các electron được chia sẻ đồng đều giữa các nguyên tử liên kết. Các electron bao quanh mỗi nguyên tử trong chất bán dẫn là do liên kết cộng hóa trị.

Ví dụ, silicon và gecmani hoàn toàn liên kết cộng hóa trị vì các electron được chia sẻ như nhau.

Các ứng dụng của Avalanche Diode

Một số ứng dụng của Avalanche Diode bao gồm:

Các diode Avalanche được sử dụng để bảo vệ mạch. Khi điện áp phân cực ngược tăng thì đến mức giới hạn nhất định bắt đầu hiệu ứng tuyết lở tại một điện áp và sự cố diode cụ thể do hiệu ứng tuyết lở.
Nó được sử dụng để bảo vệ mạch chống lại điện áp không mong muốn.
Nó được sử dụng trong bảo vệ đột biến để bảo vệ mạch khỏi điện áp tăng.

Biểu tượng của Diode Avalanche

Biểu tượng của diode Avalanche giống như của diode Zener.

Sự khác biệt giữa sự cố Zener và sự cố Avalanche

Sự khác biệt giữa sự cố Zener và sự cố tuyết lở đã được tóm tắt trong bảng dưới đây:

Không	Sự cố Zener	Sự cố tuyết lở
1	Sự cố Zener xảy ra trong một diode tiếp giáp PN pha tạp nặng .	Sự cố Avalanche xảy ra trong một diode tiếp giáp PN pha tạp nhẹ.
2	Zener có vùng cạn kiệt (mỏng) hẹp hơn .	Avalanche có vùng cạn kiệt (dày) rộng hơn.
3	Trường điện được thiết lập trên toàn khu vực cạn kiệt mạnh hơn.	Điện trường được thiết lập trên toàn khu vực cạn kiệt là yếu hơn.
4.	Sự cố xảy ra do sự phá vỡ liên kết cộng hóa trị bởi điện trường mạnh trên đường giao nhau.	Sự cố xảy ra do sự va chạm của các hạt mang điện tăng tốc với các nguyên tử lân cận và do sự nhân lên của sóng mang.
5	Sự cố xảy ra ở điện áp sự cố nhỏ hơn 4 V.	Sự cố xảy ra ở điện áp sự cố hơn 6 V.
6.	Điện áp sự cố giảm khi nhiệt độ đường giao nhau tăng.	Điện áp đánh thủng tăng khi nhiệt độ đường giao nhau tăng.
7.	Hệ số nhiệt độ là âm.	Hệ số nhiệt độ là dương.

IV Đặc tính của Diode Avalanche

Các đặc tính IV là sự thay đổi của dòng điện cho điện áp được áp dụng. Hình trên cho thấy các đặc điểm kết hợp của sự cố Zener (diode Zener) và sự cố Avalanche.

Cần lưu ý rằng cả hai sự cố xảy ra khi một diode ở trong điều kiện sai lệch ngược.

Sự cố Zener xảy ra ở điện áp sự cố nhỏ hơn 4 V được ký hiệu là sự cố Vz và sự cố tuyết lở xảy ra ở điện áp sự cố hơn 6 V được ký hiệu là VBR.

Điện áp sự cố Avalanche là gì?

Khi chúng ta tăng điện áp phân cực ngược qua một điểm nối PN, dòng bão hòa ngược không đổi đến một điểm nhất định. Nếu tăng thêm điện áp phân cực ngược này, nó sẽ phá vỡ đường giao nhau tức là sự cố điện và dòng điện ngược tăng mạnh đến giá trị cao.

Giá trị tới hạn này của điện áp phân cực ngược mà tại đó dòng điện ngược tăng bất ngờ và sự cố Avalanche xảy ra được gọi là điện áp sự cố tuyết lở. Thông thường sự cố tuyết lở xảy ra ở điện áp sự cố hơn 6 V.

Sự cố Avalanche có thể đảo ngược?

Sự cố Avalanche không thể đảo ngược trong khi sự cố Zener có thể đảo ngược.

Sự cố Avalanche xảy ra do sự va chạm của các hạt mang điện tăng tốc với các nguyên tử lân cận và do sự nhân lên của sóng mang. Tuy nhiên, sự cố Zener xảy ra do sự phá vỡ liên kết cộng hóa trị bởi điện trường mạnh trên đường giao nhau. Nó có nghĩa là trong đánh giá công suất sự cố Zener của diode không tăng.

Sự cố Avalanche có thể đảo ngược nếu chúng ta đặt một điện trở nối tiếp vào một diode.

Làm thế nào Zener Breakdown là Reversible và Avalanche Breakdown là không thể đảo ngược?

Nếu một điểm nối PN ở trong điều kiện sự cố Zener và nếu bây giờ chúng ta giảm điện áp phân cực ngược bên ngoài, thì điểm nối PN không bị hỏng và trở về trạng thái ban đầu. Tuy nhiên, nếu một điểm nối PN đang trong tình trạng sự cố tuyết lở và nếu chúng ta giảm điện áp phân cực ngược, thì điểm nối PN không thể trở lại trạng thái ban đầu. Điều đó có nghĩa là trong điều kiện tuyết lở, ngã ba PN bị hư hại vĩnh viễn.