Differenza tra la rottura di Zener e quella delle valanghe

La rottura di Zener e la rottura delle valanghe sono processi che causano il passaggio di correnti inverse p-n giunzioni nei diodi quando vengono applicate tensioni di polarizzazione inversa di grandi dimensioni.

Sfondo di Zener Breakdown e Avalanche Breakdown

Il p-n Giunzione in equilibrio

UN p-n la giunzione consiste di a p-tipo di semiconduttore in contatto con a n-tipo di semiconduttore. Quando vengono messi in contatto, elettroni e fori si diffondono dal lato che sono più concentrati sul lato che sono meno concentrati. Questo flusso di vettori maggioritari a causa di un gradiente di concentrazione è chiamato a corrente di diffusione.

I vettori maggioritari sul n lato sono elettroni, e quindi questi diffondono attraverso il p lato, lasciando il n lato caricato positivamente. Allo stesso modo fori, che sono i vettori di maggioranza del p lato, diffuso attraverso il n lato, lasciando il p lato con una carica negativa. Queste regioni caricate formano il regione di carica spaziale (o il regione di esaurimento).

Alla fine, le regioni cariche danno origine a un campo elettrico, che funge da potenziale barriera alla corrente di diffusione. Questo campo elettrico spazza anche i portatori di minoranza attraverso la regione di carica spaziale, vale a dire. elettroni dal p lato a n lato e fori da n lato a p lato. Questo flusso di portatori minoritari è chiamato il corrente di deriva, ed è nella direzione opposta a quella della corrente di diffusione. Viene stabilito un equilibrio, in cui la corrente di deriva è uguale alla corrente di diffusione, rendendo il netto flusso di corrente attraverso lo zero della giunzione.

Figura 1: La giunzione p-n in equilibrio; In alto: le fasce di energia, Medio: schematico, in basso: le direzioni

Il p-n Giunzione sotto Forward Bias

UN p-n la giunzione è in polarizzazione diretta quando viene applicata una tensione attraverso il p-n giunzione esternamente, con il p lato collegato al potenziale più positivo rispetto al n lato. Il collegamento in polarizzazione diretta riduce la potenziale barriera alla corrente di diffusione e riduce anche la larghezza della carica spaziale. La corrente di diffusione aumenta sostanzialmente a causa della ridotta barriera potenziale. La corrente di deriva, tuttavia, rimane praticamente invariata. Il risultato complessivo è una corrente netta da cui deriva p lato a n lato.

Quando la tensione diretta attraverso il diodo viene ulteriormente aumentata, la corrente aumenta esponenzialmente. A tensioni avanti molto elevate, la corrente diretta si satura e gli effetti di riscaldamento possono causare la rottura del diodo.

Figura 2: La giunzione p-n in polarizzazione diretta 

Il p-n Giunzione sotto inversione inversa

Il p-n la giunzione è in polarizzazione inversa quando la tensione viene applicata attraverso la giunzione, con il n lato è collegato al potenziale più positivo. Qui, la barriera potenziale alla corrente di diffusione e la larghezza di carica spaziale sono aumentate. Poiché la barriera potenziale è ora grande, la corrente di diffusione diminuisce. La corrente di deriva non cambia in modo significativo. Il risultato complessivo è una piccola corrente netta che scorre n lato a p lato, che è chiamato il corrente di saturazione inversa (). Aumentando ulteriormente la tensione inversa attraverso la giunzione non si modifica la corrente finché, con tensioni inverse di grandi dimensioni, i processi di rotture di Zener e di valanghe causano il flusso di correnti inverse di grandi dimensioni.

Figura 3: la giunzione p-n sotto polarizzazione inversa

Per un diodo tipico, questi effetti sono riepilogati nel seguente grafico corrente / tensione:

Figura 4: grafico corrente vs. tensione per un diodo ideale

Abbattersi

I diodi consentono solo a una corrente considerevole di fluire quando sono collegati in polarizzazione diretta. Pertanto, possono essere utilizzati per garantire che la corrente in un circuito scorre lungo una determinata direzione. Ad esempio, i diodi possono essere utilizzati per convertire la corrente alternata in corrente continua. Tuttavia, come menzionato sopra, una grande tensione inversa può far fluire le correnti inverse. Questo è indicato come abbattersi, e può avvenire sia come "rottura di Zener" o come "rottura di valanghe". Le differenze tra i due tipi di suddivisione sono descritte di seguito.

Zener Breakdown

Nella demolizione di Zener, gli elettroni "tunnel" dalla banda di valenza del p lato alla banda di conduzione sul n lato. Nella fisica classica, gli elettroni non avrebbero dovuto essere in grado di attraversare in questo modo. Il tunnelling è, infatti, un fenomeno quantomeccanico, che deriva da elettroni aventi proprietà ondulatorie.

La probabilità che un elettrone attraversi tunnel è maggiore quando la regione di carica spaziale è più stretta e quando il campo elettrico è più grande. Tipicamente, si verifica una rottura di Zener dove i materiali utilizzati per costruire il p-n la giunzione è pesantemente drogata. In queste giunzioni, a causa del forte doping, la regione di carica spaziale è piuttosto stretta anche quando la giunzione è sottoposta a polarizzazione inversa.

Figura 5: Zener Breakdown

Avalanche Breakdown

Nella rottura delle valanghe, i portatori di carica nella regione di carica spaziale ottengono così tanta energia cinetica da un campo elettrico accelerato che, possono scontrarsi con gli atomi reticolari e gli elettroni lacrimali, creando coppie di elettroni. Questo è anche noto come ionizzazione d'impatto. Questi elettroni e buchi appena separati vengono quindi accelerati dal campo elettrico, dando loro una grande quantità di energia cinetica. Nel frattempo, i vettori di carica originali, che hanno perso energia durante la collisione, sono anch'essi accelerati. Di conseguenza, sia i vettori di corrieri originali che quelli recentemente separati hanno ora la capacità di provocare la ionizzazione da impatto. Il processo si chiama rottura "valanga" perché, con ogni collisione, vengono resi disponibili sempre più corrieri di carico per provocare future ionizzazioni di impatto.

In termini di bande di energia, l'energia cinetica del vettore di carica in entrata deve essere maggiore del "divario" di energia tra le bande di conduzione e di valenza per la ionizzazione da impatto. Quindi, una volta avvenuta la collisione e formata la coppia elettrone-lacuna, questo elettrone e il foro sono essenzialmente rispettivamente nelle bande di conduzione e di valance.

Figura 6: Rottura delle valanghe. Il diagramma mostra solo fori altamente energetici che creano coppie di elettroni. Gli elettroni accelererebbero nel frattempo e creerebbero ancora più coppie di elettroni-lacune attraverso collisioni con atomi di reticolo.

Per la maggior parte dei diodi, la rottura delle valanghe è l'effetto dominante. Per un dato diodo, l'effetto dominante è determinato dal materiale utilizzato per costruire la giunzione e anche dal livello di doping.

Differenza tra la rottura di Zener e quella delle valanghe

• La rottura di Zener e la rottura delle valanghe sono processi attraverso i quali i diodi iniziano a condurre correnti significative, quando sono soggetti ad un'alta tensione inversa.

• La rottura di Zener si verifica quando i livelli di drogaggio sono elevati e coinvolge il tunneling degli elettroni dalla banda di valenza del p lato alla banda di conduzione sul n lato.

• La rottura delle valanghe si verifica quando i portatori di carica che sono accelerati dal campo elettrico acquisiscono abbastanza energia cinetica tale che, quando si scontrano con gli atomi del reticolo, ionizzano gli atomi del reticolo per produrre coppie di ioni di elettroni. Queste coppie, a loro volta, causano ulteriori ionizzazioni, portando ad un effetto "valanga".

Riferimenti

Grove, A. (1967). Fisica e tecnologia dei dispositivi a semiconduttore. John Wiley & Sons.

Neamen, D. A. (2012). Fisica e dispositivi per semiconduttori: principi di base (4 ° ed.). McGraw-Hil.

Ng, K. K. (2002). Guida completa ai dispositivi a semiconduttore (2 ° ed.). Wiley-IEEE Press.

Walker, J. (2014). Fondamenti di fisica Halliday e Resnick (10 ° ed.). Wiley.