Γιατί η τάση κατάρρευσης Zener είναι μικρότερη από την τάση κατάρρευσης λαβύρινθου;

Η τάση κατάρρευσης Zener και η τάση κατάρρευσης ανακαταστροφής είναι δύο διαφορετικές μηχανισμοί κατάρρευσης σε πολυδιόδους, ιδιαίτερα σε διόδους. Η τάση κατάρρευσης που προκαλείται από αυτούς τους δύο μηχανισμούς είναι διαφορετική, κυρίως λόγω των διαφορετικών φυσικών μηχανισμών και συνθηκών εμφάνισής τους.

Κατάρρευση Zener

Η κατάρρευση Zener συμβαίνει σε μια αντιστραμμένη πολυδιόδου, και όταν η εφαρμοσμένη αντιστραμμένη τάση είναι αρκετά υψηλή, η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου στην πολυδιόδου είναι αρκετή για να δώσει στα ηλεκτρόνια στη ζώνη βαλεντείων αρκετή ενέργεια για να μεταβούν στη ζώνη εξαγωγής και να σχηματίσουν ζευγάρι ηλεκτρόνιου-κενού. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει κυρίως σε λεπτές επίπεδα πολυκρυστάλλων, ειδικά σε πολυδιόδους με υψηλή συγκέντρωση δοπαντικών.

Χαρακτηριστικά

• Συνθήκες εμφάνισης: Σε πολυδιόδους με υψηλή συγκέντρωση δοπαντικών, η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου είναι ισχυρή, η οποία είναι εύκολη να οδηγήσει σε ηλεκτρονική μετάβαση.

• Τάση κατάρρευσης: Συνήθως συμβαίνει σε χαμηλότερα επίπεδα τάσης, μεταξύ περίπου 2,5V και 5,6V.

• Θερμοκρασιακό συντελεστής: Αρνητικός θερμοκρασιακός συντελεστής, που σημαίνει ότι ως η θερμοκρασία αυξάνεται, η τάση κατάρρευσης θα μειωθεί.

Κατάρρευση ανακαταστροφής

Η κατάρρευση ανακαταστροφής συμβαίνει επίσης σε αντιστραμμένες πολυδιόδους, αλλά είναι ένας μηχανισμός συγκρούσεων. Όταν η εφαρμοσμένη αντιστραμμένη τάση φτάνει σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο, το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο επιταχύνει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σε αρκετή κινητική ενέργεια για να συγκρούσουν με τα άτομα στο πλέγμα, δημιουργώντας νέα ζευγάρια ηλεκτρόνιου-κενού. Αυτά τα νέα ζευγάρια ηλεκτρόνιου-κενού συνεχίζουν να συγκρούονται, δημιουργώντας μια αλυσιδωτή αντίδραση που τελικά οδηγεί σε ξαφνική αύξηση του ρεύματος.

Χαρακτηριστικά

• Συνθήκες εμφάνισης: Σε πολυδιόδους με χαμηλή συγκέντρωση δοπαντικών, η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου είναι αδύναμη, και απαιτείται υψηλότερη τάση για να εκτελέσει την ανακαταστροφή.

• Τάση κατάρρευσης: Συνήθως συμβαίνει σε υψηλότερα επίπεδα τάσης, περίπου 5V ή περισσότερα, ανάλογα με το υλικό και τη συγκέντρωση δοπαντικών.

• Θερμοκρασιακό συντελεστής: Θετικός θερμοκρασιακός συντελεστής, που σημαίνει ότι ως η θερμοκρασία αυξάνεται, η τάση κατάρρευσης θα αυξηθεί.

Οι κύριοι λόγοι για τους οποίους η τάση κατάρρευσης Zener είναι μικρότερη από την τάση κατάρρευσης ανακαταστροφής είναι οι εξής:

• Συγκέντρωση δοπαντικών: Η κατάρρευση Zener συμβαίνει συνήθως σε πολυδιόδους με υψηλή συγκέντρωση δοπαντικών, ενώ η κατάρρευση ανακαταστροφής συμβαίνει σε πολυδιόδους με χαμηλή συγκέντρωση δοπαντικών. Η υψηλή συγκέντρωση δοπαντικών σημαίνει ότι μπορεί να επιτευχθεί αρκετή ισχύς ηλεκτρικού πεδίου σε χαμηλή εφαρμοσμένη τάση, έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια στη ζώνη βαλεντείων να πάρουν αρκετή ενέργεια για να μεταβούν στη ζώνη εξαγωγής. Αντιθέτως, οι πολυδιόδους με χαμηλή συγκέντρωση δοπαντικών απαιτούν υψηλότερες εφαρμοσμένες τάσεις για να επιτευχθεί η ίδια ισχύς ηλεκτρικού πεδίου.

• Ισχύς ηλεκτρικού πεδίου: Η κατάρρευση Zener εξαρτάται κυρίως από τις ηλεκτρονικές μεταβάσεις που προκαλούνται από τοπικά ισχυρά ηλεκτρικά πεδία, ενώ η κατάρρευση ανακαταστροφής εξαρτάται από την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου που είναι ενιαία διανεμημένη σε ολόκληρη την περιοχή της πολυδιόδου. Επομένως, η κατάρρευση ανακαταστροφής απαιτεί υψηλότερη τάση για να δημιουργήσει επαρκή επίδραση ανακαταστροφής.

• Ιδιότητες υλικού: Η κατάρρευση Zener συμβαίνει κυρίως σε κάποια συγκεκριμένα υλικά (όπως το πυρίτιο) και είναι συνδεδεμένη με το ενεργειακό χάσμα του υλικού. Η κατάρρευση ανακαταστροφής εξαρτάται περισσότερο από τις φυσικές ιδιότητες του υλικού, όπως το πλάτος του ενεργειακού χάσματος και την κινητικότητα των φορέων φορτίου.

Συμπεράσματα

Η κατάρρευση Zener και η κατάρρευση ανακαταστροφής είναι δύο διαφορετικοί μηχανισμοί κατάρρευσης που συμβαίνουν υπό διαφορετικές συνθήκες και έχουν διαφορετικούς θερμοκρασιακούς συντελεστές. Η τάση κατάρρευσης Zener είναι συνήθως χαμηλότερη από την τάση κατάρρευσης ανακαταστροφής, αυτό είναι επειδή η κατάρρευση Zener συμβαίνει σε πολυδιόδους με υψηλή συγκέντρωση δοπαντικών, ενώ η κατάρρευση ανακαταστροφής συμβαίνει σε πολυδιόδους με χαμηλή συγκέντρωση δοπαντικών, η πρώτη απαιτεί χαμηλή εφαρμοσμένη τάση για να επιτευχθεί επαρκής ισχύς ηλεκτρικού πεδίου, ενώ η δεύτερη απαιτεί υψηλή τάση για να δημιουργήσει την επίδραση ανακαταστροφής.