Почему напряжение пробоя по Зенеру меньше напряжения лавинного пробоя

Напряжение пробоя Зенера и напряжение пробоя по типу лавины - это два разных механизма пробоя в полупроводниковых устройствах, особенно диодах. Напряжение пробоя, вызванное этими двумя механизмами, различается, главным образом, из-за их различных физических механизмов и условий возникновения.

Пробой Зенера

Пробой Зенера происходит в обратно смещенном PN-переходе, и когда приложенное обратное напряжение достаточно высоко, электрическое поле в PN-переходе становится достаточно сильным, чтобы электроны в валентной зоне получили достаточно энергии для перехода в зону проводимости, образуя пару электрон-дырка. Этот процесс в основном происходит в тонких слоях полупроводниковых материалов, особенно в PN-переходах с высокой концентрацией легирующих примесей.

Характеристики

• Условия возникновения: В PN-переходах с высокой концентрацией легирующих примесей, электрическое поле сильное, что легко приводит к переходу электронов.

• Напряжение пробоя: Обычно происходит на более низком уровне напряжения, между примерно 2,5 В и 5,6 В.

• Температурный коэффициент: Отрицательный температурный коэффициент, что означает, что с увеличением температуры напряжение пробоя уменьшается.

Лавинный пробой

Лавинный пробой также происходит в обратно смещенных PN-переходах, но это процесс ионизации за счет столкновений. Когда приложенное обратное напряжение достигает определенного значения, сильное электрическое поле ускоряет свободные электроны до достаточной кинетической энергии, чтобы они сталкивались с атомами решетки, создавая новые пары электрон-дырка. Эти новые пары продолжают сталкиваться, формируя цепную реакцию, которая в конечном итоге приводит к резкому увеличению тока.

Характеристики

• Условия возникновения: В PN-переходах с низкой концентрацией легирующих примесей, электрическое поле слабое, и требуется более высокое напряжение для запуска лавинного эффекта.

• Напряжение пробоя: Обычно происходит на высоком уровне напряжения, около 5 В или выше, в зависимости от материала и концентрации легирующих примесей.

• Температурный коэффициент: Положительный температурный коэффициент, что означает, что с увеличением температуры напряжение пробоя увеличивается.

Основные причины, почему напряжение пробоя Зенера ниже, чем напряжение лавинного пробоя, следующие:

• Концентрация легирующих примесей: Пробой Зенера обычно происходит в PN-переходах с высокой концентрацией легирующих примесей, тогда как лавинный пробой происходит в PN-переходах с низкой концентрацией легирующих примесей. Высокая концентрация легирующих примесей означает, что можно достичь достаточной силы электрического поля при низком приложенном напряжении, чтобы электроны в валентной зоне получили достаточно энергии для перехода в зону проводимости. В противоположность этому, PN-переходы с низкой концентрацией легирующих примесей требуют более высоких приложенных напряжений для достижения той же силы электрического поля.

• Сила электрического поля: Пробой Зенера зависит в основном от переходов электронов, вызванных локальными сильными электрическими полями, тогда как лавинный пробой зависит от распределенной силы электрического поля по всей области PN-перехода. Поэтому для лавинного пробоя требуется более высокое напряжение, чтобы создать достаточный эффект ударной ионизации.

• Свойства материала: Пробой Зенера в основном происходит в некоторых специфических материалах (например, кремний) и связан с энергетическим зазором материала. Лавинный пробой зависит больше от физических свойств материала, таких как ширина запрещенной зоны и подвижность носителей заряда.

Заключение

Пробой Зенера и лавинный пробой - это два разных механизма пробоя, которые происходят при разных условиях и имеют разные температурные коэффициенты. Напряжение пробоя Зенера обычно ниже, чем напряжение лавинного пробоя, это потому, что пробой Зенера происходит в PN-переходах с высокой концентрацией легирующих примесей, тогда как лавинный пробой происходит в PN-переходах с низкой концентрацией легирующих примесей. Первый требует низкого приложенного напряжения для достижения достаточной силы электрического поля, второй требует высокого напряжения для формирования эффекта ударной ионизации.