Hvorfor er Zener-kvælningsspanningen mindre end laviner-kvælningsspanningen?

Zener-sammenbruds-spænding og lavine-sammenbruds-spænding er to forskellige sammenbrudsmekanismer i halvlederkomponenter, især dioder. Sammenbruds-spændingen forårsaget af disse to mekanismer er forskellig, hovedsageligt på grund af deres forskellige fysiske mekanismer og opståelsesbetingelser.

Zener-sammenbrud

Zener-sammenbrud forekommer i en omvendt polariseret PN-forbindelse, og når den anvendte omvendte spænding er høj nok, er elektriske feltstyrken i PN-forbindelsen tilstrækkelig til at give elektronerne i valensbåndet nok energi til at overgå til ledningsbåndet for at danne et elektron-hulpar. Dette proces finder hovedsageligt sted i tynde lag af halvledermaterialer, især i PN-forbindelser med høje dopningkoncentrationer.

Egenskaber

• Opståelsesbetingelse: I PN-forbindelser med høje dopningkoncentrationer er elektriske feltstyrken stærk, hvilket let kan føre til elektronovergang.

• Sammenbruds-spænding: Forekommer normalt ved lavere spændingsniveauer, mellem ca. 2,5V og 5,6V.

• Temperaturkoefficient: Negativ temperaturkoefficient, hvilket betyder, at når temperaturen stiger, vil sammenbruds-spændingen falde.

Lavine-sammenbrud

Lavine-sammenbrud forekommer også i omvendt polariserede PN-forbindelser, men det er en kollisionel ionisationsproces. Når den anvendte omvendte spænding når et bestemt niveau, accelererer det stærke elektriske felt de frie elektroner til en høj nok kinetisk energi for at kollidere med atomerne i gitteret, hvilket skaber nye elektron-hulpar. Disse nyligt skabte elektron-hulpar fortsætter med at kollidere, danner en kedereaktion, der fører til en skarp stigning i strømmen.

Egenskaber

• Opståelsesbetingelse: I PN-forbindelser med lave dopningkoncentrationer er elektriske feltstyrken svag, og en højere spænding er nødvendig for at udløse lavine-effekten.

• Sammenbruds-spænding: Forekommer normalt ved et højt spændingsniveau, omkring 5V eller mere, afhængigt af materialet og dopningkoncentrationen.

• Temperaturkoefficient: Positiv temperaturkoefficient, hvilket betyder, at når temperaturen stiger, vil sammenbruds-spændingen stige.

De hovedårsager til, at Zener-sammenbruds-spændingen er lavere end lavine-sammenbruds-spændingen, er følgende:

• Dopningkoncentration: Zener-sammenbrud forekommer normalt i PN-forbindelser med høje dopningkoncentrationer, mens lavine-sammenbrud forekommer i PN-forbindelser med lave dopningkoncentrationer. Den høje dopningkoncentration betyder, at der kan opnås tilstrækkelig elektrisk feltstyrke ved en lav anvendt spænding, så elektronerne i valensbåndet får nok energi til at overgå til ledningsbåndet. I modsætning hertil kræver PN-forbindelser med lave dopningkoncentrationer højere anvendte spændinger for at opnå samme elektriske feltstyrke.

• Elektriske feltstyrke: Zener-sammenbrud afhænger hovedsageligt af elektronovergange forårsaget af lokale stærke elektriske felter, mens lavine-sammenbrud afhænger af elektriske feltstyrker, der er fordelt jævnt over hele PN-forbindelsesområdet. Derfor kræver lavine-sammenbrud en højere spænding for at skabe en tilstrækkelig effekt af påvirkningsionisation.

• Materialeegenskaber: Zener-sammenbrud forekommer hovedsageligt i nogle specifikke materialer (som silicium) og er relateret til materialeets energikløft. Lavine-sammenbrud afhænger mere af materialets fysiske egenskaber, som båndbredde og bærermobilitet.

Oversigt

Zener-sammenbrud og lavine-sammenbrud er to forskellige sammenbrudsmekanismer, der forekommer under forskellige betingelser og har forskellige temperaturkoefficienter. Zener-sammenbruds-spændingen er normalt lavere end lavine-sammenbruds-spændingen, dette skyldes, at Zener-sammenbrud forekommer i PN-forbindelser med høje dopningkoncentrationer, mens lavine-sammenbrud forekommer i PN-forbindelser med lave dopningkoncentrationer, den første kræver en lav anvendt spænding for at opnå tilstrækkelig elektrisk feltstyrke, den sidste kræver en høj spænding for at danne effekten af påvirkningsionisation.