【導(dǎo)讀】雪崩二極管是利用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中載流子的碰撞電離和渡越時(shí)間兩種物理效應(yīng)而產(chǎn)生負(fù)阻的固體微波器件。
雪崩二極管是利用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中載流子的碰撞電離和渡越時(shí)間兩種物理效應(yīng)而產(chǎn)生負(fù)阻的固體微波器件。
PN結(jié)有單向?qū)щ娦?,正向電阻小,反向電阻很大?/div>
當(dāng)反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí),反向電流突然增加。就是反向電擊穿。它分雪崩擊穿和齊納擊穿(隧道擊穿)。
雪崩擊穿是PN結(jié)反向電壓增大到一數(shù)值時(shí),載流子倍增就像雪崩一樣,增加得多而快。
利用這個(gè)特性制作的二極管就是雪崩二極管
雪崩擊穿是在電場(chǎng)作用下,載流子能量增大,不斷與晶體原子相碰,使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的載流子又通過(guò)碰撞產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì),這就是倍增效應(yīng)。1生2,2生4,像雪崩一樣增加載流子。
齊納擊穿完全不同,在高的反向電壓下,PN結(jié)中存在強(qiáng)電場(chǎng),它能夠直接破壞共價(jià)鍵將束縛電子分離來(lái)形成電子-空穴對(duì),形成大的反向電流。齊納擊穿需要的電場(chǎng)強(qiáng)度很大!只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)才做得到。(雜質(zhì)大電荷密度就大)
一般的二極管摻雜濃度沒(méi)這么高,它們的電擊穿都是雪崩擊穿。齊納擊穿大多出現(xiàn)在特殊的二極管中,就是穩(wěn)壓二極管
它是在外加電壓作用下可以產(chǎn)生高頻振蕩的晶體管。產(chǎn)生高頻振蕩的工作原理是:利用雪崩擊穿對(duì)晶體注入載流子,因載流子渡越晶片需要一定的時(shí)間,所以其電流滯后于電壓,出現(xiàn)延遲時(shí)間,若適當(dāng)?shù)乜刂贫稍綍r(shí)間,那么,在電流和電壓關(guān)系上就會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng),從而產(chǎn)生高頻振蕩。它常被應(yīng)用于微波領(lǐng)域的振蕩電路中。
工作原理
在材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中,當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時(shí),空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)隨著增強(qiáng)。這樣,通過(guò)空間電荷區(qū)的電子和空穴,就會(huì)在電場(chǎng)作用下獲得的能量增大,在晶體中運(yùn)動(dòng)的電子和空穴將不斷地與晶體原子又發(fā)生碰撞,當(dāng)電子和空穴的能量足夠大時(shí),通過(guò)這樣的碰撞的可使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子–空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子和空穴也向相反的方向運(yùn)動(dòng),重新獲得能量,又可通過(guò)碰撞,再產(chǎn)生電子–空穴對(duì),這就是載流子的倍增效應(yīng)。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值后,載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣,載流子增加得多而快,這樣,反向電流劇增, PN結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿。利用該特點(diǎn)可制作高反壓二極管。下圖是雪崩擊穿的示意圖。
雪崩二極管是一種負(fù)阻器件,特點(diǎn)是輸出功率大,但噪聲也很大。主要噪聲來(lái)自于雪崩噪聲,是由于雪崩倍增過(guò)程中產(chǎn)生電子和空穴和無(wú)規(guī)則性所引起的,其性質(zhì)和散彈噪聲類似。雪崩噪聲是雪崩二極管振蕩器的噪聲遠(yuǎn)高于其它振蕩器的主要原因。
雪崩二極管如何幫助防止過(guò)電壓
當(dāng)IGBT在高性能應(yīng)用中高速接通和斷開(kāi)時(shí),總會(huì)發(fā)生過(guò)壓。例如,當(dāng)關(guān)閉負(fù)載電流電路時(shí),集電極 - 發(fā)射極電壓突然上升,達(dá)到非常高的峰值。由開(kāi)關(guān)引起的過(guò)電壓會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞甚至破壞開(kāi)關(guān)晶體管。
常見(jiàn)的過(guò)電壓保護(hù)方法是“有源鉗位(active clamping)”。在這種情況下,雪崩二極管用作直接反饋。如果關(guān)斷導(dǎo)致電感負(fù)載過(guò)壓峰值,則由雪崩二極管傳導(dǎo)至IGBT柵極,并且IGBT重新接通。
上圖顯示了基本原理:當(dāng)電壓上升時(shí),二極管被阻斷(A)。在耗盡區(qū)中,一個(gè)自由電子觸發(fā)雪崩的瞬間,電壓突然下降到低于30V的擊穿電壓電平,雪崩二極管立刻擊穿(B)。在重新啟動(dòng)之前,有時(shí)只能保持雪崩電流在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定,并且電壓再次上升(C)。擊穿延遲(D)即兩次擊穿事件之間的時(shí)間,是不能預(yù)測(cè)的。
建議將具有改善噪聲性能的雪崩二極管用于有源鉗位過(guò)壓保護(hù),因?yàn)樗鼈兡軌颍?/div>
˙ 在快速上升的反向電壓下,更快擊穿
˙ 在低電流(低于~1mA)時(shí)具有更穩(wěn)定擊穿電壓,因此:
˙ 延長(zhǎng)其它器件的壽命,例如 IGBT或Mosfet,結(jié)果:
˙ 為變頻器或電機(jī)控制器等應(yīng)用節(jié)省成本,因?yàn)榻M件較少需要更換。
雪崩二極管的噪聲是如何產(chǎn)生的?
雪崩二極管的噪聲來(lái)自雪崩的不斷接通和斷開(kāi),即電壓峰值的不斷產(chǎn)生及其突然擊穿(見(jiàn)圖)。觸發(fā)雪崩擊穿有兩個(gè)先決條件:
1. 存在足夠的擊穿電壓以產(chǎn)生用于碰撞電離的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度。
2. 存在自由電子,因而形成漏電流。
例如,1.6pA = 1.6 x 10-12A漏電流等于通過(guò)阻擋層的電子流速為每秒107電子,這意味著在統(tǒng)計(jì)上每100ns只能觸發(fā)一次雪崩。然而,由于不是每個(gè)電子都會(huì)觸發(fā)雪崩,實(shí)際上觸發(fā)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。因此,觸發(fā)雪崩擊穿的概率與泄漏電流成比例。換句話說(shuō):漏電流越大,觸發(fā)雪崩擊穿的概率越高或擊穿延遲時(shí)間越短(圖中:D)。
在兩個(gè)沖擊漏電流電子之間,二極管處的反向電壓可以顯著上升到高于擊穿電壓電平。只有當(dāng)下一個(gè)沖擊電子觸發(fā)雪崩時(shí),二極管的電壓才會(huì)突然下降到擊穿電壓水平。
如果電壓源提供足夠的電流,例如 1mA,雪崩擊穿可以通過(guò)連續(xù)的碰撞電離保持自身運(yùn)行,從而產(chǎn)生穩(wěn)定的雪崩電流。
但是,如果源電流太低,例如100μA,低于擊穿電壓電平的雪崩電壓突然下降,使得二極管放電,將導(dǎo)致雪崩擊穿立即再次停止。這時(shí),需要一定的時(shí)間來(lái)使二極管和線電容充電,使低源電流達(dá)到所需的電壓電平,然后下一個(gè)電子才能觸發(fā)新的雪崩。這種雪崩的不斷接通和斷開(kāi)導(dǎo)致雪崩二極管擊穿的典型噪聲。
二極管噪聲性能的差異在圖中也可見(jiàn):圖中顯示了兩個(gè)Z二極管(齊納二極管)的擊穿電壓范圍,在100μA的反向電流(IR)下測(cè)得的擊穿電壓為30V。其中一個(gè)二極管基于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù),使用極低的漏電流,另一個(gè)則采用“低噪聲技術(shù)”。具有“低噪聲技術(shù)”的齊納二極管具有更穩(wěn)健的電壓特性,優(yōu)于僅能在短時(shí)間內(nèi)保持恒定雪崩電流的另一個(gè)二極管(C)。
威世提供采用“低噪聲技術(shù)”的Z二極管,這些新一代產(chǎn)品包括SMF、BZD27、BZG 03、BZG04、 BZG05、PLZ 和 VTVS系列,由于適度增加漏電流(IR~10nA)而明顯增加了觸發(fā)雪崩擊穿的可能性,從而降低了噪聲,并為用戶提供了在低電流(低于~1mA)時(shí)更穩(wěn)定的擊穿電壓以及快速上升反向電壓的更快擊穿。
二極管噪聲的更進(jìn)一步影響因素
漏電流隨溫度增加而呈指數(shù)上升,即噪聲隨溫度升高而降低;光還可以釋放二極管耗盡區(qū)中的自由電子,從而降低噪聲水平。這意味著:四周環(huán)境越暗越冷,噪音水平越高。
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來(lái)電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號(hào)和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識(shí)別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開(kāi)”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠(chéng)邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國(guó)電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個(gè)新物料
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
音頻IC
音頻SoC
音頻變壓器
引線電感
語(yǔ)音控制
元件符號(hào)
元器件選型
云電視
云計(jì)算
云母電容
真空三極管
振蕩器
振蕩線圈
振動(dòng)器
振動(dòng)設(shè)備
震動(dòng)馬達(dá)
整流變壓器
整流二極管
整流濾波
直流電機(jī)
智能抄表
智能電表
智能電網(wǎng)
智能家居
智能交通
智能手機(jī)
中電華星
中電器材
中功率管
中間繼電器