Varför är Zener-breakdownspänningen lägre än avalanche-breakdownspänningen?

Zener-spänningsbrytning och lavin-spänningsbrytning är två olika brytningsmekanismer i halvledarkomponenter, särskilt dioder. Spänningsbrytningen orsakad av dessa två mekanismer skiljer sig åt, huvudsakligen på grund av deras olika fysiska mekanismer och förekomstvillkor.

Zener-spänningsbrytning

Zener-spänningsbrytning inträffar i en omvänt polariserad PN-förbindelse, och när den tillämpade omvända spänningen är tillräckligt hög, är elektriska fältet i PN-förbindelsen tillräckligt starkt för att ge elektronerna i vallensbandet tillräckligt med energi för att övergå till ledningsbandet och bildar ett elektron-hål-par. Denna process inträffar huvudsakligen i tunna lager av halvledarmaterial, särskilt i PN-förbindelser med höga dopningskoncentrationer.

Egenskaper

• Förekomstvillkor: I PN-förbindelser med höga dopningskoncentrationer är det elektriska fältet starkt, vilket lätt kan leda till elektronövergång.

• Brytningsvoltage: Inträffar vanligtvis vid lägre spänningsnivåer, mellan cirka 2,5 V och 5,6 V.

• Temperaturkoefficient: Negativ temperaturkoefficient, vilket betyder att när temperaturen stiger kommer brytningsvoltage att minska.

Lavin-spänningsbrytning

Lavin-spänningsbrytning inträffar också i omvänt polariserade PN-förbindelser, men det är en kollisionell jonisationsprocess. När den tillämpade omvända spänningen når ett visst värde, accelererar det starka elektriska fältet de fria elektronerna till tillräcklig kinetisk energi för att kollidera med atomerna i gitternätet, vilket skapar nya elektron-hål-par. Dessa nyligen skapade elektron-hål-par fortsätter att kollidera, vilket bildar en kedjereaktion som till slut leder till en skarp ökning av strömmen.

Egenskaper

• Förekomstvillkor: I PN-förbindelser med låga dopningskoncentrationer är det elektriska fältet svagt, och en högre spänning krävs för att utlösa lavineffekten.

• Brytningsvoltage: Inträffar vanligtvis vid en hög spänningsnivå, omkring 5 V eller mer, beroende på material och dopningskoncentration.

• Temperaturkoefficient: Positiv temperaturkoefficient, vilket betyder att när temperaturen stiger kommer brytningsvoltage att öka.

De huvudsakliga anledningarna till att Zener-spänningsbrytning är lägre än lavin-spänningsbrytning är följande:

• Dopningskoncentration: Zener-spänningsbrytning inträffar vanligtvis i PN-förbindelser med höga dopningskoncentrationer, medan lavin-spänningsbrytning inträffar i PN-förbindelser med låga dopningskoncentrationer. Den höga dopningskoncentrationen innebär att tillräckligt starkt elektriskt fält kan uppnås vid en låg tillämpad spänning, så att elektronerna i vallensbandet får tillräckligt med energi för att övergå till ledningsbandet. I kontrast kräver PN-förbindelser med låga dopningskoncentrationer högre tillämpade spänningar för att uppnå samma elektriska fältstyrka.

• Elektrisk fältstyrka: Zener-spänningsbrytning beror huvudsakligen på elektronövergångar orsakade av lokalt starka elektriska fält, medan lavin-spänningsbrytning beror på elektriska fältstyrkor som är jämnt fördelade över hela PN-förbindelsregionen. Därför kräver lavin-spänningsbrytning en högre spänning för att skapa en tillräcklig impactjonisationseffekt.

• Materialgenskaper: Zener-spänningsbrytning inträffar huvudsakligen i vissa specifika material (som silikon) och relateras till materialets energigap. Lavin-spänningsbrytning beror mer på fysiska egenskaper hos materialet, såsom bandgapbredd och bärarbarnbarhet.

Sammanfattning

Zener-spänningsbrytning och lavin-spänningsbrytning är två olika brytningsmekanismer som inträffar under olika villkor och har olika temperaturkoefficienter. Zener-spänningsbrytning voltage är vanligtvis lägre än lavin-spänningsbrytning, detta beror på att Zener-spänningsbrytning inträffar i PN-förbindelser med höga dopningskoncentrationer, medan lavin-spänningsbrytning inträffar i PN-förbindelser med låga dopningskoncentrationer, den förstnämnda kräver en låg tillämpad spänning för att uppnå tillräcklig elektrisk fältstyrka, medan den senare kräver en hög spänning för att forma impactjonisationseffekten.