لماذا تكون جهد الانهيار زينر أقل من جهد الانهيار التدفقي؟

جهد الانهيار زينر وجهد الانهيار بالانزلاق هما ميكانيكان انهيار مختلفان في أجهزة نصف الموصلات، وخاصة الثنائيات. يختلف جهد الانهيار الناجم عن هذين الميكانيكيين بسبب اختلاف الآليات الفيزيائية والظروف التي تحدث فيها.

الانهيار الزينري

يحدث الانهيار الزينري في تقاطع PN معاكس القطبية، عندما يكون الجهد العكسي المطبق عاليًا بما فيه الكفاية، بحيث تكون قوة المجال الكهربائي في تقاطع PN كافية لجعل الإلكترونات في الحزمة القيمية تحصل على طاقة كافية للانتقال إلى الحزمة التوصيلية لتشكيل زوج إلكترون-فراغ. يحدث هذا العملية بشكل أساسي في الطبقات الرقيقة من مواد نصف الموصلات، خاصة في تقاطعات PN ذات تركيزات التشويه العالية.

المميزات

• شروط الحدوث: في تقاطع PN ذو تركيز تشويه عالي، تكون قوة المجال الكهربائي قوية، مما يجعل الانتقال الإلكتروني سهل الحدوث.

• جهد الانهيار: يحدث عادة عند مستويات جهد أقل، بين حوالي 2.5 فولت و 5.6 فولت.

• معامل الحرارة: معامل حراري سالب، مما يعني أن زيادة درجة الحرارة تؤدي إلى انخفاض جهد الانهيار.

الانهيار بالانزلاق

يحدث الانهيار بالانزلاق أيضًا في تقاطع PN معاكس القطبية، ولكنه عملية تأيين اصطدامية. عندما يصل الجهد العكسي المطبق إلى قيمة معينة، تقوم القوة الكهربائية القوية بتسريع الإلكترونات الحرة إلى طاقة حركية عالية بما فيه الكفاية لتتصادم مع الذرات في الشبكة، مما يخلق أزواج إلكترون-فراغ جديدة. تستمر هذه الأزواج الجديدة في التصادم، مما يؤدي إلى رد فعل متسلسل يؤدي في النهاية إلى زيادة حادة في التيار.

المميزات

• شروط الحدوث: في تقاطع PN ذو تركيز تشويه منخفض، تكون قوة المجال الكهربائي ضعيفة، ويحتاج إلى جهد أعلى لاستثارة تأثير الانزلاق.

• جهد الانهيار: يحدث عادة عند مستوى جهد عالي، حوالي 5 فولت أو أكثر، اعتمادًا على المادة وتركيز التشويه.

• معامل الحرارة: معامل حراري موجب، مما يعني أن زيادة درجة الحرارة تؤدي إلى زيادة جهد الانهيار.

الأسباب الرئيسية لأن جهد الانهيار الزينري يكون أقل من جهد الانهيار بالانزلاق هي كالتالي:

• تركيز التشويه: يحدث الانهيار الزينري عادة في تقاطعات PN ذات تركيز تشويه عالي، بينما يحدث الانهيار بالانزلاق في تقاطعات PN ذات تركيز تشويه منخفض. التركيز العالي للتشويه يعني أنه يمكن تحقيق قوة مجال كهربائي كافية بجهد مطبق منخفض، بحيث تحصل الإلكترونات في الحزمة القيمية على طاقة كافية للانتقال إلى الحزمة التوصيلية. على العكس من ذلك، تتطلب تقاطعات PN ذات التركيز المنخفض للتشويه جهودًا مطبقة أعلى لتحقيق نفس قوة المجال الكهربائي.

• قوة المجال الكهربائي: يعتمد الانهيار الزينري بشكل أساسي على انتقالات الإلكترونات الناتجة عن قوى مجال كهربائي محلية قوية، بينما يعتمد الانهيار بالانزلاق على قوى مجال كهربائي موزعة بشكل متساوٍ عبر منطقة تقاطع PN بأكملها. لذلك، يتطلب الانهيار بالانزلاق جهدًا أعلى لإنشاء تأثير تأيين كافٍ.

• خصائص المادة: يحدث الانهيار الزينري بشكل أساسي في بعض المواد المحددة (مثل السيليكون) وهو مرتبط بفجوة الطاقة للمادة. يعتمد الانهيار بالانزلاق بشكل أكبر على الخصائص الفيزيائية للمادة، مثل عرض فجوة الحزمة ومرونة الحامل.

ملخص

الانهيار الزينري والانهيار بالانزلاق هما ميكانيكان انهيار مختلفان يحدثان تحت ظروف مختلفة ولديهما معاملات حرارية مختلفة. يكون جهد الانهيار الزينري عادة أقل من جهد الانهيار بالانزلاق، وهذا لأنه يحدث الانهيار الزينري في تقاطع PN ذو تركيز تشويه عالي، بينما يحدث الانهيار بالانزلاق في تقاطع PN ذو تركيز تشويه منخفض، يحتاج الأول إلى جهد مطبق منخفض لتحقيق قوة مجال كهربائي كافية، بينما يحتاج الثاني إلى جهد عالي لتشكيل تأثير التأيين.