Différence entre Zener et rupture d'avalanche

Les pannes de Zener et les avalanches sont des processus qui provoquent le passage de courants inverses p-n jonctions dans les diodes lorsque des tensions de polarisation inverse élevées sont appliquées.

Fond de panne de Zener et ventilation d'avalanche

le p-n Jonction sous équilibre

UNE p-n jonction consiste en un p-type semi-conducteur en contact avec un n-type semi-conducteur. Lorsqu'ils sont mis en contact, les électrons et les trous diffusent du côté où ils sont plus concentrés au côté qu'ils sont moins concentrés. Ce flux de transporteurs majoritaires dû à un gradient de concentration est appelé un courant de diffusion.

Les transporteurs majoritaires sur le n côté sont des électrons, et donc ceux-ci diffusent à travers le p côté, laissant le n côté chargé positivement. De même, les trous, qui sont majoritairement porteurs de p côté, diffuse à travers le n côté, laissant le p côté avec une charge négative. Ces régions chargées forment la région de charge d'espace (ou la région d'appauvrissement).

Finalement, les régions chargées génèrent un champ électrique qui constitue une barrière potentielle au courant de diffusion. Ce champ électrique balaye également des porteurs minoritaires dans la région de charge d'espace, c'est-à-dire. des électrons du p côté à n côté, et trous de n côté à p côté. Ce flux de transporteurs minoritaires est appelé le courant de dérive, et il est dans la direction opposée à celle du courant de diffusion. Un équilibre est établi, où le courant de dérive est égal au courant de diffusion, rendant le net flux de courant à travers la jonction zéro.

Figure 1: La jonction p-n en équilibre; En haut: Les bandes d'énergie, Au centre: Schéma, En bas: Indications

le p-n Jonction sous biais direct

UNE p-n la jonction est en polarisation directe lorsqu'une tension est appliquée sur la p-n jonction externe, avec le p côté connecté au potentiel plus positif que le n côté. La connexion en polarisation directe réduit la barrière potentielle au courant de diffusion et réduit également la largeur de la charge d'espace. Le courant de diffusion augmente considérablement en raison de la barrière de potentiel réduite. Le courant de dérive, cependant, reste pratiquement inchangé. Le résultat global est un courant net qui découle de p côté à n côté.

À mesure que la tension directe à travers la diode augmente davantage, le courant augmente de façon exponentielle. À des tensions directes très élevées, le courant direct sature et des effets de chauffage peuvent provoquer la rupture de la diode..

Figure 2: La jonction p-n en biais direct 

le p-n Jonction sous biais inverse

le p-n La jonction est en polarisation inverse lorsque la tension est appliquée à la jonction, avec le n côté est connecté au potentiel plus positif. Ici, la barrière potentielle au courant de diffusion et la largeur de la charge d'espace sont augmentées. Puisque la barrière de potentiel est maintenant grande, le courant de diffusion chute. Le courant de dérive ne change pas de manière significative. Le résultat global est un petit courant net provenant de n côté à p côté, qui s'appelle le courant de saturation inverse (). L'augmentation de la tension inverse à la jonction ne cause en outre aucune modification du courant jusqu'à ce que, dans le cas de tensions inverses importantes, les processus de Zener et de rupture par avalanche entraînent la création de courants inverses importants.

Figure 3: La jonction p-n sous polarisation inverse

Pour une diode typique, ces effets sont résumés dans le graphique courant / tension suivant:

Figure 4: Graphique courant / tension pour une diode idéale

Panne

Les diodes ne permettent à un courant considérable de circuler que lorsqu'elles sont connectées en polarisation directe. Par conséquent, ils peuvent être utilisés pour garantir que le courant dans un circuit circule dans une direction donnée. Par exemple, les diodes peuvent être utilisées pour convertir le courant alternatif en courant continu. Cependant, comme mentionné ci-dessus, une tension inverse élevée peut provoquer le passage de courants inverses. Ceci est appelé panne, et peut se produire soit en tant que "panne de Zener" ou en tant que "panne d'avalanche". Les différences entre les deux types de ventilation sont décrites ci-dessous..

Panne de Zener

Dans la décomposition de Zener, les électrons forment un «tunnel» à partir de la bande de valence du spectre. p côté de la bande de conduction sur la n côté. En physique classique, les électrons n'auraient pas dû se croiser de cette façon. Le tunneling est en fait un phénomène de mécanique quantique, qui provient d'électrons ayant des propriétés d'onde.

La probabilité qu'un électron se tunnelise est plus grande lorsque la région de charge d'espace est plus étroite et lorsque le champ électrique est plus grand. En règle générale, la décomposition de Zener se produit lorsque les matériaux utilisés pour construire le p-n jonction sont fortement dopés. Dans ces jonctions, en raison d'un dopage important, la région de charge d'espace est assez étroite même lorsque la jonction est sous polarisation inverse.

Figure 5: Ventilation Zener

Rupture d'avalanche

En cas de rupture par avalanche, les porteurs de charge dans la région de charge d'espace acquièrent une énergie cinétique tellement accélérée qu'ils peuvent entrer en collision avec des atomes de réseau et en détacher des électrons, créant ainsi des paires électron-trou. Ceci est également connu comme ionisation par impact. Ces électrons et trous nouvellement séparés sont également accélérés par le champ électrique, ce qui leur confère une grande quantité d'énergie cinétique. Dans l'intervalle, les porteurs de charge d'origine, qui ont perdu de l'énergie lors de la collision, sont également accélérés. Par conséquent, les porteurs de charge d'origine ainsi que les porteurs récemment séparés ont maintenant la capacité de provoquer une ionisation par impact. Ce processus est appelé "ventilation par avalanche" car, à chaque collision, de plus en plus de porteurs de charge sont mis à disposition pour causer de futures ionisations à impact..

En termes de bandes d'énergie, l'énergie cinétique de la porteuse de charge entrante doit être supérieure à «l'écart» d'énergie entre les bandes de conduction et de valence permettant l'ionisation par impact. Ensuite, une fois que la collision a eu lieu et que la paire électron-trou est formée, cet électron et le trou sont essentiellement dans les bandes de conduction et de cantonnière, respectivement..

Figure 6: Répartition des avalanches. Le diagramme ne montre que des trous hautement énergétiques créant des paires électron-trou. Les électrons accéléreraient également dans l'intervalle et créeraient encore plus de paires électron-trou par des collisions avec des atomes de réseau..

Pour la plupart des diodes, l’effet dominant est la rupture par avalanche. Pour une diode donnée, l’effet dominant est déterminé par le matériau utilisé pour construire la jonction et également par le niveau de dopage.

Différence entre Zener et rupture d'avalanche

• Les pannes de Zener et les avalanches sont des processus par lesquels les diodes commencent à conduire des courants importants, lorsqu'elles sont soumises à une tension inverse élevée.

• La panne de Zener se produit lorsque les niveaux de dopage sont élevés et implique des électrons tunnelant de la bande de valence de la p côté de la bande de conduction sur la n côté.

• La rupture en avalanches se produit lorsque les porteurs de charge qui sont accélérés par le champ électrique acquièrent une énergie cinétique suffisante pour pouvoir ioniser les atomes du réseau lorsqu’ils se heurtent aux atomes du réseau afin de produire des paires électron-ion. Ces paires, à leur tour, provoquent de nouvelles ionisations, conduisant à un effet "avalanche".

Références

Grove, A. (1967). Physique et technologie des dispositifs à semi-conducteurs. John Wiley & Sons.

Neamen, D. A. (2012). Physique des semi-conducteurs et dispositifs: principes de base (4 e éd.). McGraw-Hil.

Ng, K. K. (2002). Guide complet sur les dispositifs à semi-conducteurs (2e éd.). Wiley-IEEE Press.

Walker, J. (2014). Principes fondamentaux de la physique Halliday & Resnick (10 e éd.). Wiley.