Пробой по лавинообразному типу: явление в диэлектриках и полупроводниках, приводящее к резкому увеличению тока. Объяснение механизма и принципов работы.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Электрическое явление
Electrical phenomenon
Лавинный пробой (или лавинный эффект) — это явление, которое может возникать как в изолирующих, так и в полупроводниковых материалах. Это форма умножения электрического тока, способная приводить к возникновению очень больших токов в материалах, которые в противном случае являются хорошими изоляторами. Это разновидность электронной лавины. Лавинный процесс происходит, когда носители заряда в переходной области ускоряются электрическим полем до энергий, достаточных для создания подвижных электронно-дырочных пар в результате столкновений со связанными электронами.
Avalanche breakdown (or the avalanche effect) is a phenomenon that can occur in both insulating and semiconducting materials. It is a form of electric current multiplication that can allow very large currents within materials which are otherwise good insulators. It is a type of electron avalanche. The avalanche process occurs when carriers in the transition region are accelerated by the electric field to energies sufficient to create mobile or free electron hole pairs via collisions with bound electrons.
Пояснение
Материалы проводят электричество, если они содержат подвижные носители заряда. В полупроводнике существует два типа носителей заряда: свободные электроны (подвижные электроны) и электронные дырки (подвижные дырки, представляющие собой отсутствие электронов в обычно занятых электронных состояниях). Обычно связанный электрон (например, в химической связи) в диоде, включенном в обратном смещении, может освободиться из-за тепловых колебаний или возбуждения, создавая подвижную пару электрон-дырка (экцитон). Если в полупроводнике присутствует градиент напряжения (электрическое поле), то электрон будет двигаться к положительному потенциалу, а дырка – к отрицательному. Обычно электрон и дырка перемещаются к противоположным концам кристалла и попадают в соответствующие электроды. Когда электрическое поле становится достаточно сильным, подвижный электрон или дырка могут быть ускорены до скоростей, достаточных для выбивания других связанных электронов, создавая больше свободных носителей заряда, увеличивая ток и приводя к дальнейшим процессам "выбивания" и возникновению лавины. Таким образом, значительные участки обычно изолирующего кристалла могут начать проводить ток. Большое падение напряжения и, возможно, большой ток при пробое неизбежно приводят к выделению тепла. Поэтому диод, используемый в схеме обратной блокировки, обычно разрушается при пробое, если внешняя цепь допускает протекание большого тока. В принципе, лавинный пробой включает в себя только движение электронов и не должен вызывать повреждения кристалла. Авалансные диоды (часто встречающиеся как высоковольтные диоды Зенера) изготавливаются таким образом, чтобы пробой происходил при равномерном напряжении и чтобы избежать концентрации тока во время пробоя. Эти диоды могут неограниченно долго поддерживать умеренный уровень тока в режиме пробоя. Напряжение, при котором происходит пробой, называется напряжением пробоя. Наблюдается эффект гистерезиса: после начала лавинного пробоя материал продолжает проводить ток, даже если напряжение на нем падает ниже напряжения пробоя. Это отличается от диода Зенера, который прекращает проводить ток, как только обратное напряжение падает ниже напряжения пробоя.
Materials conduct electricity if they contain mobile charge carriers. There are two types of charge carriers in a semiconductor: free electrons (mobile electrons) and electron holes (mobile holes which are missing electrons from the normally occupied electron states). A normally bound electron (e. g., in a bond) in a reverse biased diode may break loose due to a thermal fluctuation or excitation, creating a mobile electron hole pair (exciton). If there is a voltage gradient (electric field) in the semiconductor, then the electron will move towards the positive voltage while the hole will move towards the negative voltage. Usually, the electron and hole will simply move to opposite ends of the crystal and enter the appropriate electrodes. When the electric field is strong enough, the mobile electron or hole may be accelerated to speeds high enough to knock other bound electrons free, creating more free charge carriers, increasing the current and leading to further "knocking out" processes and creating an avalanche. In this way, large portions of a normally insulating crystal can begin to conduct. The large voltage drop and possibly large current during breakdown necessarily leads to the generation of heat. Therefore, a diode placed into a reverse blocking power application will usually be destroyed by breakdown if the external circuit allows a large current. In principle, avalanche breakdown only involves the passage of electrons and need not cause damage to the crystal. Avalanche diodes (commonly encountered as high voltage Zener diodes) are constructed to break down at a uniform voltage and to avoid current crowding during breakdown. These diodes can indefinitely sustain a moderate level of current during breakdown. The voltage at which the breakdown occurs is called the breakdown voltage. There is a hysteresis effect; once avalanche breakdown has occurred, the material will continue to conduct even if the voltage across it drops below the breakdown voltage. This is different from a Zener diode, which will stop conducting once the reverse voltage drops below the breakdown voltage.