Waarom is de Zener-breakdownspanning lager dan de lawinespanning?

De Zener-breakdownspanning en de lawine-breakdownspanning zijn twee verschillende breakdownmechanismen in halfgeleiderapparaten, vooral dioden. De breakdownspanning veroorzaakt door deze twee mechanismen is verschillend, voornamelijk vanwege hun verschillende fysieke mechanismen en optredensomstandigheden.

Zener-breakdown

Zener-breakdown vindt plaats in een omgekeerd gepolariseerde PN-overgang, en wanneer de toegepaste omgekeerde spanning hoog genoeg is, is de elektrische veldsterkte in de PN-overgang voldoende om de elektronen in de valentieband genoeg energie te geven om over te gaan naar de geleidingsband om een elektron-gatpaar te vormen. Dit proces vindt voornamelijk plaats in dunne lagen halfgeleidermaterialen, vooral in PN-overgangen met hoge dopingsconcentraties.

Kenmerken

• Optredensconditie: In PN-overgangen met hoge dopingsconcentratie is de elektrische veldsterkte sterk, waardoor elektronovergang gemakkelijk kan optreden.

• Breakdownspanning: Komt meestal voor bij lagere spanningniveaus, tussen ongeveer 2,5 V en 5,6 V.

• Temperatuurcoëfficiënt: Negatieve temperatuurcoëfficiënt, wat betekent dat de breakdownspanning afneemt naarmate de temperatuur stijgt.

Lawine-breakdown

Lawine-breakdown vindt ook plaats in omgekeerd gepolariseerde PN-overgangen, maar het is een botsingsionisatieproces. Wanneer de toegepaste omgekeerde spanning een bepaalde waarde bereikt, versnelt het sterke elektrische veld de vrije elektronen tot een voldoende kinetische energie om te botsen met de atomen in het rooster, waardoor nieuwe elektron-gatparen worden gecreëerd. Deze nieuw gecreëerde elektron-gatparen blijven botsen, waardoor een kettingreactie ontstaat die uiteindelijk leidt tot een scherpe toename van de stroom.

Kenmerken

• Optredensconditie: In PN-overgangen met lage dopingsconcentratie is de elektrische veldsterkte zwak, en er is een hogere spanning nodig om de lawine-effect te activeren.

• Breakdownspanning: Komt meestal voor bij een hoge spanning, ongeveer 5 V of meer, afhankelijk van het materiaal en de dopingsconcentratie.

• Temperatuurcoëfficiënt: Positieve temperatuurcoëfficiënt, wat betekent dat de breakdownspanning toeneemt naarmate de temperatuur stijgt.

De belangrijkste redenen waarom de Zener-breakdownspanning kleiner is dan de lawine-breakdownspanning zijn als volgt:

• Dopingsconcentratie: Zener-breakdown komt meestal voor in PN-overgangen met hoge dopingsconcentraties, terwijl lawine-breakdown optreedt in PN-overgangen met lage dopingsconcentraties. De hoge dopingsconcentratie betekent dat er bij een lage aangebrachte spanning voldoende elektrische veldsterkte kan worden bereikt, zodat de elektronen in de valentieband genoeg energie krijgen om over te gaan naar de geleidingsband. Daarentegen vereisen PN-overgangen met lage dopingsconcentraties hogere aangebrachte spanningen om dezelfde elektrische veldsterkte te bereiken.

• Elektrische veldsterkte: Zener-breakdown is voornamelijk gebaseerd op elektronovergangen veroorzaakt door lokale sterke elektrische velden, terwijl lawine-breakdown afhankelijk is van elektrische veldsterktes die gelijkmatig verdeeld zijn over het hele PN-overganggebied. Daarom vereist lawine-breakdown een hogere spanning om een voldoende impact-ionisatie-effect te creëren.

• Materiaaleigenschappen: Zener-breakdown komt voornamelijk voor in bepaalde specifieke materialen (zoals silicium) en is gerelateerd aan de energiegap van het materiaal. Lawine-breakdown hangt meer af van de fysieke eigenschappen van het materiaal, zoals de bandgapbreedte en de draagervelociteit.

Samenvatting

Zener-breakdown en lawine-breakdown zijn twee verschillende breakdownmechanismen die onder verschillende omstandigheden optreden en verschillende temperatuurcoëfficiënten hebben. De Zener-breakdownspanning is meestal lager dan de lawine-breakdownspanning, dit is omdat Zener-breakdown optreedt in PN-overgangen met hoge dopingsconcentratie, terwijl lawine-breakdown optreedt in PN-overgangen met lage dopingsconcentratie, de eerste vereist een lage aangebrachte spanning om voldoende elektrische veldsterkte te bereiken, de laatste vereist een hoge spanning om het impact-ionisatie-effect te vormen.