Tại sao điện áp phân cực Zener nhỏ hơn điện áp phân cực sụp đổ?

Điện áp bể Zener và điện áp bể sạt lở là hai cơ chế bể khác nhau trong các thiết bị bán dẫn, đặc biệt là điôt. Điện áp bể do hai cơ chế này gây ra là khác nhau, chủ yếu do cơ chế vật lý và điều kiện xảy ra khác nhau.

Bể Zener

Bể Zener xảy ra ở mối nối PN được phân cực ngược, và khi điện áp ngược áp dụng đủ cao, cường độ điện trường trong mối nối PN đủ để làm cho các electron trong dải valence có đủ năng lượng để chuyển sang dải dẫn, tạo thành cặp electron-lỗ trống. Quá trình này chủ yếu xảy ra trong các lớp bán dẫn mỏng, đặc biệt là ở các mối nối PN có nồng độ tạp chất cao.

Đặc điểm

• Điều kiện xảy ra: Trong mối nối PN có nồng độ tạp chất cao, cường độ điện trường mạnh, dễ dẫn đến sự chuyển đổi điện tử.

• Điện áp bể: Thường xảy ra ở mức điện áp thấp, khoảng từ 2,5V đến 5,6V.

• Hệ số nhiệt độ: Hệ số nhiệt độ âm, nghĩa là khi nhiệt độ tăng, điện áp bể sẽ giảm.

Bể sạt lở

Bể sạt lở cũng xảy ra ở mối nối PN được phân cực ngược, nhưng đây là quá trình ion hóa va chạm. Khi điện áp ngược áp dụng đạt đến một giá trị nhất định, điện trường mạnh sẽ tăng tốc các electron tự do đến mức động năng đủ cao để va chạm với các nguyên tử trong lưới tinh thể, tạo ra các cặp electron-lỗ trống mới. Các cặp electron-lỗ trống mới này tiếp tục va chạm, tạo thành phản ứng dây chuyền cuối cùng dẫn đến sự tăng đột ngột của dòng điện.

Đặc điểm

• Điều kiện xảy ra: Trong mối nối PN có nồng độ tạp chất thấp, cường độ điện trường yếu, và cần điện áp cao hơn để kích hoạt hiệu ứng sạt lở.

• Điện áp bể: Thường xảy ra ở mức điện áp cao, khoảng 5V hoặc hơn, tùy thuộc vào vật liệu và nồng độ tạp chất.

• Hệ số nhiệt độ: Hệ số nhiệt độ dương, nghĩa là khi nhiệt độ tăng, điện áp bể sẽ tăng.

Các lý do chính khiến điện áp bể Zener nhỏ hơn điện áp bể sạt lở như sau:

• Nồng độ tạp chất: Bể Zener thường xảy ra ở mối nối PN có nồng độ tạp chất cao, trong khi bể sạt lở xảy ra ở mối nối PN có nồng độ tạp chất thấp. Nồng độ tạp chất cao có nghĩa là có thể đạt được cường độ điện trường đủ lớn ở điện áp áp dụng thấp, để các electron trong dải valence có đủ năng lượng để chuyển sang dải dẫn. Ngược lại, mối nối PN có nồng độ tạp chất thấp yêu cầu điện áp áp dụng cao hơn để đạt được cường độ điện trường tương đương.

• Cường độ điện trường: Bể Zener dựa chủ yếu vào sự chuyển đổi electron do điện trường cục bộ mạnh, trong khi bể sạt lở dựa trên cường độ điện trường phân bố đều trên toàn bộ vùng mối nối PN. Do đó, bể sạt lở yêu cầu điện áp cao hơn để tạo ra hiệu ứng ion hóa va chạm đủ mạnh.

• Tính chất vật liệu: Bể Zener chủ yếu xảy ra ở một số vật liệu cụ thể (như silic) và liên quan đến khoảng cách năng lượng của vật liệu. Bể sạt lở phụ thuộc nhiều hơn vào tính chất vật lý của vật liệu, như chiều rộng khoảng cách dải và khả năng di chuyển của các hạt mang.

Tóm tắt

Bể Zener và bể sạt lở là hai cơ chế bể khác nhau xảy ra dưới các điều kiện khác nhau và có hệ số nhiệt độ khác nhau. Điện áp bể Zener thường thấp hơn điện áp bể sạt lở, điều này là do bể Zener xảy ra ở mối nối PN có nồng độ tạp chất cao, trong khi bể sạt lở xảy ra ở mối nối PN có nồng độ tạp chất thấp, cựu đòi hỏi điện áp áp dụng thấp để đạt được cường độ điện trường đủ, hậu giả đòi hỏi điện áp cao để tạo ra hiệu ứng ion hóa va chạm.