چرا ولتاژ شکست زنر کمتر از ولتاژ شکست لانه زنبوری است

ولت فشار زنر و ولت فشار افکنشی دو مکانیزم مختلف پاره شدن در دستگاه‌های نیم‌رسانا، به خصوص دیودها هستند. فشار پاره شدن ناشی از این دو مکانیzm با توجه به مکانیزم‌های فیزیکی و شرایط رخ دادن متفاوت آنها متفاوت است.

پاره شدن زنر

پاره شدن زنر در اتصال PN تحت فشار معکوس رخ می‌دهد و وقتی فشار معکوس کافی بالا باشد، قدرت میدان الکتریکی در اتصال PN کافی است تا الکترون‌های در باند والانس انرژی کافی برای انتقال به باند هدایت پیدا کنند و جفت الکترون-حفره تشکیل دهند. این فرآیند عمدتاً در لایه‌های نازک مواد نیم‌رسانا و به خصوص در اتصالات PN با غلظت بالای دوپینگ رخ می‌دهد.

ویژگی‌ها

• شرایط رخ دادن: در اتصال PN با غلظت دوپینگ بالا، قدرت میدان الکتریکی قوی است که منجر به انتقال الکترونی می‌شود.

• ولت فشار پاره شدن: معمولاً در سطوح ولت پایین‌تر، بین حدود ۲/۵V تا ۵/۶V رخ می‌دهد.

• ضریب دما: ضریب دما منفی است، یعنی با افزایش دما، ولت فشار پاره شدن کاهش می‌یابد.

پاره شدن افکنشی

پاره شدن افکنشی نیز در اتصال PN تحت فشار معکوس رخ می‌دهد، اما این یک فرآیند یونیزاسیون برخوردی است. وقتی فشار معکوس به مقدار مشخصی برسد، میدان الکتریکی قوی الکترون‌های آزاد را به انرژی جنبشی کافی برای برخورد با اتم‌های شبکه تسریع می‌کند و جفت‌های الکترون-حفره جدیدی را ایجاد می‌کند. این جفت‌های الکترون-حفره جدید ادامه می‌یابند و برخورد می‌کنند که منجر به واکنش زنجیره‌ای می‌شود و در نهایت منجر به افزایش تند جریان می‌گردد.

ویژگی‌ها

• شرایط رخ دادن: در اتصال PN با غلظت دوپینگ پایین، قدرت میدان الکتریکی ضعیف است و نیاز به ولت بالاتر برای تحریک اثر افکنشی است.

• ولت فشار پاره شدن: معمولاً در سطح ولت بالاتر، حدود ۵V یا بیشتر، به وسیله ماده و غلظت دوپینگ رخ می‌دهد.

• ضریب دما: ضریب دما مثبت است، یعنی با افزایش دما، ولت فشار پاره شدن افزایش می‌یابد.

دلایل اصلی که ولت فشار پاره شدن زنر کمتر از ولت فشار پاره شدن افکنشی است عبارتند از:

• غلظت دوپینگ: پاره شدن زنر معمولاً در اتصالات PN با غلظت دوپینگ بالا رخ می‌دهد، در حالی که پاره شدن افکنشی در اتصالات PN با غلظت دوپینگ پایین رخ می‌دهد. غلظت دوپینگ بالا به این معنی است که می‌توان با ولت کمتر به قدرت میدان الکتریکی کافی دست یافت تا الکترون‌های در باند والانس انرژی کافی برای انتقال به باند هدایت پیدا کنند. در مقابل، اتصالات PN با غلظت دوپینگ پایین نیاز به ولت بالاتر برای رسیدن به همان قدرت میدان الکتریکی دارند.

• قدرتهای میدان الکتریکی: پاره شدن زنر عمدتاً به انتقال الکترون‌ها ناشی از میدان‌های الکتریکی محلی قوی متکی است، در حالی که پاره شدن افکنشی به قدرت میدان‌های الکتریکی که به طور یکنواخت در کل ناحیه اتصال PN توزیع شده‌اند متکی است. بنابراین، پاره شدن افکنشی نیاز به ولت بالاتر برای ایجاد اثر یونیزاسیون برخوردی دارد.

• ویژگی‌های ماده: پاره شدن زنر عمدتاً در برخی مواد خاص (مانند سیلیکون) رخ می‌دهد و مرتبط با گپ انرژی ماده است. پاره شدن افکنشی بیشتر به ویژگی‌های فیزیکی ماده، مانند عرض گپ باند و متحرکی حامل‌ها بستگی دارد.

خلاصه

پاره شدن زنر و پاره شدن افکنشی دو مکانیزم مختلف پاره شدن هستند که در شرایط مختلف رخ می‌دهند و ضرایب دما متفاوتی دارند. ولت فشار پاره شدن زنر معمولاً کمتر از ولت فشار پاره شدن افکنشی است، این به این دلیل است که پاره شدن زنر در اتصالات PN با غلظت دوپینگ بالا رخ می‌دهد، در حالی که پاره شدن افکنشی در اتصالات PN با غلظت دوپینگ پایین رخ می‌دهد. اولی نیاز به ولت کمتر برای رسیدن به قدرت میدان الکتریکی کافی دارد، در حالی که دومی نیاز به ولت بالاتر برای تشکیل اثر یونیزاسیون برخوردی دارد.