Pourquoi la tension de claquage de Zener est-elle inférieure à la tension de claquage par avalanche

La tension de rupture de Zener et la tension de rupture par avalanche sont deux mécanismes de rupture différents dans les dispositifs semi-conducteurs, en particulier les diodes. La tension de rupture causée par ces deux mécanismes est différente, principalement en raison de leurs mécanismes physiques différents et des conditions d'occurrence.

Rupture de Zener

La rupture de Zener se produit dans une jonction PN polarisée à l'envers, et lorsque la tension inverse appliquée est suffisamment élevée, la force du champ électrique dans la jonction PN est assez forte pour que les électrons de la bande de valence reçoivent suffisamment d'énergie pour passer à la bande de conduction, formant ainsi une paire électron-trou. Ce processus se produit principalement dans des couches minces de matériaux semi-conducteurs, en particulier dans les jonctions PN avec des concentrations de dopage élevées.

Caractéristiques

• Condition d'occurrence : Dans les jonctions PN avec une concentration de dopage élevée, la force du champ électrique est forte, ce qui facilite le passage électronique.

• Tension de rupture : Se produit généralement à des niveaux de tension plus bas, entre environ 2,5 V et 5,6 V.

• Coefficient de température : Coefficient de température négatif, signifiant que lorsque la température augmente, la tension de rupture diminue.

Rupture par avalanche

La rupture par avalanche se produit également dans les jonctions PN polarisées à l'envers, mais c'est un processus d'ionisation collisionnelle. Lorsque la tension inverse appliquée atteint une certaine valeur, le champ électrique fort accélère les électrons libres jusqu'à une énergie cinétique suffisante pour qu'ils entrent en collision avec les atomes du réseau, créant de nouvelles paires électron-trou. Ces nouvelles paires électron-trou continuent à entrer en collision, formant une réaction en chaîne qui conduit finalement à une augmentation brutale du courant.

Caractéristiques

• Condition d'occurrence : Dans les jonctions PN avec une faible concentration de dopage, la force du champ électrique est faible, et une tension plus élevée est nécessaire pour déclencher l'effet d'avalanche.

• Tension de rupture : Se produit généralement à un niveau de tension élevé, environ 5 V ou plus, selon le matériau et la concentration de dopage.

• Coefficient de température : Coefficient de température positif, signifiant que lorsque la température augmente, la tension de rupture augmente.

Les principales raisons pour lesquelles la tension de rupture de Zener est inférieure à la tension de rupture par avalanche sont les suivantes :

• Concentration de dopage : La rupture de Zener se produit généralement dans les jonctions PN avec une concentration de dopage élevée, tandis que la rupture par avalanche se produit dans les jonctions PN avec une concentration de dopage faible. La concentration de dopage élevée signifie qu'une force de champ électrique suffisante peut être atteinte à une faible tension appliquée, permettant aux électrons de la bande de valence de recevoir suffisamment d'énergie pour passer à la bande de conduction. En revanche, les jonctions PN avec une faible concentration de dopage nécessitent des tensions appliquées plus élevées pour atteindre la même force de champ électrique.

• Force du champ électrique : La rupture de Zener repose principalement sur les transitions électroniques causées par des champs électriques locaux forts, tandis que la rupture par avalanche repose sur des forces de champ électrique distribuées uniformément sur toute la région de la jonction PN. Par conséquent, la rupture par avalanche nécessite une tension plus élevée pour créer un effet d'ionisation par impact suffisant.

• Propriétés du matériau : La rupture de Zener se produit principalement dans certains matériaux spécifiques (comme le silicium) et est liée à l'écart d'énergie du matériau. La rupture par avalanche dépend davantage des propriétés physiques du matériau, telles que la largeur de la bande interdite et la mobilité des porteurs de charge.

Résumé

La rupture de Zener et la rupture par avalanche sont deux mécanismes de rupture différents qui se produisent sous des conditions différentes et ont des coefficients de température différents. La tension de rupture de Zener est généralement inférieure à la tension de rupture par avalanche, car la rupture de Zener se produit dans les jonctions PN avec une concentration de dopage élevée, tandis que la rupture par avalanche se produit dans les jonctions PN avec une concentration de dopage faible. La première nécessite une faible tension appliquée pour atteindre une force de champ électrique suffisante, tandis que la seconde nécessite une tension élevée pour former l'effet d'ionisation par impact.