Perché la tensione di rottura dello Zener è inferiore alla tensione di rottura per avallo?

La tensione di rottura Zener e la tensione di rottura per valanga sono due meccanismi di rottura diversi nei dispositivi semiconduttori, specialmente nei diodi. La tensione di rottura causata da questi due meccanismi è diversa, principalmente a causa delle loro diverse meccaniche fisiche e condizioni di occorrenza.

Rottura Zener

La rottura Zener si verifica in una giunzione PN polarizzata inversamente, e quando la tensione inversa applicata è sufficientemente alta, l'intensità del campo elettrico nella giunzione PN è tale da far sì che gli elettroni nella banda di valenza ottengano abbastanza energia per passare alla banda di conduzione formando coppie elettrone-buco. Questo processo si verifica principalmente in strati sottili di materiali semiconduttori, specialmente in giunzioni PN con concentrazioni di dopaggio elevate.

Caratteristiche

• Condizione di occorrenza: In giunzione PN con alta concentrazione di dopaggio, l'intensità del campo elettrico è forte, il che facilita la transizione elettronica.

• Tensione di rottura: Si verifica generalmente a livelli di tensione più bassi, tra circa 2,5V e 5,6V.

• Coefficiente di temperatura: Coefficiente di temperatura negativo, il che significa che con l'aumento della temperatura, la tensione di rottura diminuirà.

Rottura per valanga

La rottura per valanga si verifica anche in giunzioni PN polarizzate inversamente, ma è un processo di ionizzazione collisionale. Quando la tensione inversa applicata raggiunge un certo valore, il forte campo elettrico accelera gli elettroni liberi a una energia cinetica sufficientemente alta da collidere con gli atomi della rete cristallina, creando nuove coppie elettrone-buco. Queste nuove coppie elettrone-buco continuano a collidere, formando una reazione a catena che alla fine porta a un aumento brusco della corrente.

Caratteristiche

• Condizione di occorrenza: In giunzione PN con bassa concentrazione di dopaggio, l'intensità del campo elettrico è debole, e sono necessarie tensioni più elevate per attivare l'effetto valanga.

• Tensione di rottura: Si verifica generalmente a livelli di tensione elevati, intorno ai 5V o più, a seconda del materiale e della concentrazione di dopaggio.

• Coefficiente di temperatura: Coefficiente di temperatura positivo, il che significa che con l'aumento della temperatura, la tensione di rottura aumenterà.

Le principali ragioni per cui la tensione di rottura Zener è inferiore alla tensione di rottura per valanga sono le seguenti:

• Concentrazione di dopaggio: La rottura Zener si verifica generalmente in giunzioni PN con alta concentrazione di dopaggio, mentre la rottura per valanga si verifica in giunzioni PN con bassa concentrazione di dopaggio. L'alta concentrazione di dopaggio significa che si può ottenere un'intensità del campo elettrico sufficiente con una tensione applicata bassa, in modo che gli elettroni nella banda di valenza ottengano abbastanza energia per passare alla banda di conduzione. Al contrario, le giunzioni PN con bassa concentrazione di dopaggio richiedono tensioni applicate più elevate per ottenere la stessa intensità del campo elettrico.

• Intensità del campo elettrico: La rottura Zener si basa principalmente su transizioni elettroniche causate da forti campi elettrici locali, mentre la rottura per valanga si basa su intensità del campo elettrico distribuite uniformemente su tutta l'area della giunzione PN. Pertanto, la rottura per valanga richiede una tensione più elevata per creare un effetto di ionizzazione d'impatto sufficiente.

• Proprietà dei materiali: La rottura Zener si verifica principalmente in alcuni materiali specifici (come il silicio) ed è correlata al gap energetico del materiale. La rottura per valanga dipende maggiormente dalle proprietà fisiche del materiale, come l'ampiezza del gap di banda e la mobilità dei portatori.

Riepilogo

La rottura Zener e la rottura per valanga sono due meccanismi di rottura diversi che si verificano in condizioni differenti e hanno coefficienti di temperatura diversi. La tensione di rottura Zener è generalmente inferiore alla tensione di rottura per valanga, poiché la rottura Zener si verifica in giunzioni PN con alta concentrazione di dopaggio, mentre la rottura per valanga si verifica in giunzioni PN con bassa concentrazione di dopaggio. La prima richiede una tensione applicata bassa per ottenere un'intensità del campo elettrico sufficiente, mentre la seconda richiede una tensione elevata per formare l'effetto di ionizzazione d'impatto.