Dlaczego napięcie zenerowskie jest mniejsze niż napięcie przelamania lawinowego

Napięcie zniszczenia Zenera i napięcie zniszczenia lawinowego to dwa różne mechanizmy zniszczenia w urządzeniach półprzewodnikowych, zwłaszcza diodach. Napięcie zniszczenia spowodowane tymi dwoma mechanizmami jest różne, głównie ze względu na różne fizyczne mechanizmy i warunki występowania.

Zniszczenie Zenera

Zniszczenie Zenera występuje w odwrotnie obciążonym złączu PN, a gdy zastosowane odwrotne napięcie jest wystarczająco wysokie, siła pola elektrycznego w złączu PN jest wystarczająca, aby elektrony w pasmie walencyjnym uzyskały wystarczającą energię do przejścia do pasma przewodzenia, tworząc parę elektron-dziura. Ten proces ma miejsce głównie w cienkich warstwach materiałów półprzewodnikowych, szczególnie w złączach PN o wysokich stężeniach domieszkujących.

Cechy

• Warunek występowania: W złączu PN o wysokim stężeniu domieszkującym siła pola elektrycznego jest silna, co łatwo prowadzi do przejścia elektronów.

• Napięcie zniszczenia: Zwykle występuje na niższych poziomach napięcia, między około 2,5V a 5,6V.

• Współczynnik temperaturowy: Ujemny współczynnik temperaturowy, co oznacza, że przy wzroście temperatury napięcie zniszczenia spada.

Zniszczenie lawinowe

Zniszczenie lawinowe również występuje w odwrotnie obciążonym złączu PN, ale jest to proces jonizacji przez zderzenia. Gdy zastosowane odwrotne napięcie osiąga pewną wartość, silne pole elektryczne przyspiesza swobodne elektrony do wystarczającej kinetycznej energii, aby zderzyć się z atomami w krystalicznym układzie, tworząc nowe pary elektron-dziura. Te nowo utworzone pary elektron-dziura kontynuują zderzenia, tworząc reakcję łańcuchową, która ostatecznie prowadzi do gwałtownego wzrostu prądu.

Cechy

• Warunek występowania: W złączu PN o niskim stężeniu domieszkującym, siła pola elektrycznego jest słaba, a wymagane jest wyższe napięcie, aby wywołać efekt lawinowy.

• Napięcie zniszczenia: Zwykle występuje na wysokim poziomie napięcia, około 5V lub więcej, w zależności od materiału i stężenia domieszkującego.

• Współczynnik temperaturowy: Dodatni współczynnik temperaturowy, co oznacza, że przy wzroście temperatury napięcie zniszczenia rośnie.

Głównymi powodami, dla których napięcie zniszczenia Zenera jest mniejsze niż napięcie zniszczenia lawinowego, są następujące:

• Stężenie domieszkujące: Zniszczenie Zenera zwykle występuje w złączach PN o wysokim stężeniu domieszkującym, podczas gdy zniszczenie lawinowe występuje w złączach PN o niskim stężeniu domieszkującym. Wysokie stężenie domieszkujące oznacza, że wystarczająca siła pola elektrycznego może być osiągnięta przy niskim zastosowanym napięciu, tak aby elektrony w pasmie walencyjnym uzyskały wystarczającą energię, aby przejść do pasma przewodzenia. Natomiast złącza PN o niskim stężeniu domieszkującym wymagają wyższych zastosowanych napięć, aby osiągnąć tę samą siłę pola elektrycznego.

• Siła pola elektrycznego: Zniszczenie Zenera opiera się głównie na przejściach elektronów spowodowanych lokalnie silnym polem elektrycznym, podczas gdy zniszczenie lawinowe opiera się na siłach pola elektrycznego rozłożonych równomiernie w całej strefie złączu PN. Dlatego zniszczenie lawinowe wymaga wyższego napięcia, aby wytworzyć wystarczający efekt jonizacji przez zderzenia.

• Właściwości materiału: Zniszczenie Zenera występuje głównie w niektórych specyficznych materiałach (takich jak krzem) i jest związane z szerokością pasma energetycznego materiału. Zniszczenie lawinowe zależy bardziej od fizycznych właściwości materiału, takich jak szerokość pasma energetycznego i mobilność nośników ładunku.

Podsumowanie

Zniszczenie Zenera i zniszczenie lawinowe to dwa różne mechanizmy zniszczenia, które występują w różnych warunkach i mają różne współczynniki temperaturowe. Napięcie zniszczenia Zenera jest zwykle niższe niż napięcie zniszczenia lawinowego, ponieważ zniszczenie Zenera występuje w złączach PN o wysokim stężeniu domieszkującym, podczas gdy zniszczenie lawinowe występuje w złączach PN o niskim stężeniu domieszkującym, pierwszy wymaga niskiego zastosowanego napięcia, aby osiągnąć wystarczającą siłę pola elektrycznego, drugi wymaga wysokiego napięcia, aby wytworzyć efekt jonizacji przez zderzenia.