Hvorfor er Zener-kollapsevoltage lavere enn snøkollaps-voltage?

Zener-svingningsspenning og lavinsk-svingningsspenning er to ulike svingningsmekanismer i halvlederkomponenter, spesielt dioder. Svingningsspenningsnivået forårsaket av disse to mekanismene er ulikt, hovedsakelig på grunn av deres ulike fysiske mekanismer og forekomstbetingelser.

Zener-svingning

Zener-svingning forekommer i en reversert PN-forbindelse, og når den anvendte reverserte spenningen er høy nok, er elektriske feltstyrken i PN-forbindelsen tilstrekkelig til å gi elektronene i valensbåndet nok energi til å overgå til ledningsbåndet for å danne et elektron-hull-par. Denne prosessen forekommer hovedsakelig i tynne lag av halvledermaterialer, spesielt i PN-forbindelser med høy dopingskoncentrasjon.

Egenskaper

• Forekomstbetingelse: I PN-forbindelser med høy dopingskoncentrasjon er elektriske feltstyrken sterk, noe som lett fører til elektronovergang.

• Svingningsspenningsnivå: Forekommer vanligvis ved lavere spenningsnivå, mellom omtrent 2,5V og 5,6V.

• Temperaturkoeffisient: Negativ temperaturkoeffisient, det vil si at når temperaturen øker, vil svingningsspenningen minske.

Lavinsk-svingning

Lavinsk-svingning forekommer også i reverserte PN-forbindelser, men det er en kollisjonsioniseringsprosess. Når den anvendte reverserte spenningen når et visst nivå, akselererer det sterke elektriske feltet de frie elektronene til nok kinetisk energi til å kollidere med atomene i gitteret, og skape nye elektron-hull-par. Disse nylig opprettede elektron-hull-par fortsetter å kollidere, danner en kjederekasjon som til slutt fører til en skarp økning i strøm.

Egenskaper

• Forekomstbetingelse: I PN-forbindelser med lav dopingskoncentrasjon er elektriske feltstyrken svak, og høyere spenning kreves for å utløse lavinsk-effekten.

• Svingningsspenningsnivå: Forekommer vanligvis ved høyt spenningsnivå, omtrent 5V eller mer, avhengig av materialet og dopingskoncentrasjonen.

• Temperaturkoeffisient: Positiv temperaturkoeffisient, det vil si at når temperaturen øker, vil svingningsspenningen øke.

De viktigste grunnene til at Zener-svingningsspenningsnivået er lavere enn lavinsk-svingningsspenningsnivået er følgende:

• Dopingskoncentrasjon: Zener-svingning forekommer vanligvis i PN-forbindelser med høy dopingskoncentrasjon, mens lavinsk-svingning forekommer i PN-forbindelser med lav dopingskoncentrasjon. Høy dopingskoncentrasjon betyr at nok elektriske feltstyrke kan oppnås ved lav anvendt spenning, slik at elektronene i valensbåndet får nok energi til å overgå til ledningsbåndet. I kontrast krever PN-forbindelser med lav dopingskoncentrasjon høyere anvendte spenninger for å oppnå samme elektriske feltstyrke.

• Elektriske feltstyrke: Zener-svingning baserer seg hovedsakelig på elektronoverganger forårsaket av lokale sterke elektriske felt, mens lavinsk-svingning baserer seg på elektriske feltstyrker fordelt jevnt over hele PN-forbindelsesområdet. Derfor krever lavinsk-svingning en høyere spenning for å skape en tilstrekkelig ioniserings effekt.

• Materialeegenskaper: Zener-svingning forekommer hovedsakelig i noen spesifikke materialer (som silisium) og er relatert til energilukket i materialet. Lavinsk-svingning er mer avhengig av fysiske egenskaper hos materialet, som båndbredde og transportarbevegelighet.

Oppsummering

Zener-svingning og lavinsk-svingning er to ulike svingningsmekanismer som forekommer under ulike betingelser og har ulike temperaturkoeffisienter. Zener-svingningsspenningsnivået er vanligvis lavere enn lavinsk-svingningsspenningsnivået, dette skyldes at Zener-svingning forekommer i PN-forbindelser med høy dopingskoncentrasjon, mens lavinsk-svingning forekommer i PN-forbindelser med lav dopingskoncentrasjon, den første krever en lav anvendt spenning for å oppnå tilstrekkelig elektriske feltstyrke, mens den siste krever en høy spenning for å danne ioniserings effekten.