شكست بهمني وشكست زنري

مقدمه

دیودها از دو پیوند نیمه‌رسانا P-N تشکیل شده‌است و دارای بایاس مستقیم (وصل کردن نیمه‌رسانا P به قطب مثبت منبع و وصل کردن قطب منفی منبع به نیمه هادی نوع N)و بایاس معکوس (وصل کردن نیمه هادی Nبه قطب مثبت منبع و وصل کردن قطب منفی منبع به نیمه‌رسانا نوع P) که در این حالت (بایاس معکوس) جریان اشباع معکوس یا جریان نشتی از دیود عبور خواهد کرد این جریان بسیار کم در حدود چند نانو آمپر است (بسته به جنس دیود که ژرمانیوم باشد یا سیلیسیم)

دیودهای زنر به طور گسترده‌ای برای تنظیم ولتاژ در سراسر مدارهای کوچک و به عنوان تنظیم کننده‌های شنت استفاده می‌شود. هنگامی که به طور موازی با یک منبع ولتاژ تغییر پذیر به طوری که آن معکوس و یک پهلو متصل شود. زمانی که ولتاژ به ولتاژ شکست معکوس دیود می‌رسد، به سبب امپدانس نسبتا کم دیود جریان الکتریک ثابت می‌ماند و ولتاژ دو سر دیود به آن ولتاژ است.

در محل پیوند فیزیکی میدان الکتریکی خواهیم داشت که از طرف پیوند N به P است در بایاس مستقیم ولتاژ منبع باید بر این میدان غلبه کند، تا جریان قابل قبول از دیود بگذرد اما در بایاس معکوس میدان تقویت شده و ناحیه تهی دیود افزایش می‌یابد در دیود ایده ال و در بایاس معکوس با افزایش ولتاژ معکوس جریان اشباع معکوس ثابتی می‌گذرد اما در دیود واقعی با رسیدن ولتاژ معکوس به حدی خاص دیود وارد فاز شکستش می‌شود- Vbr-در مجموع دو فرضیه محکم برای شکست دیود وجود دارد

1- شکست بهمنی                    2- شکست زنر

شکست بهمنی:

در محل پیوند و اطراف آن یک میدان الکتریکی وجود دارد که میدان درست در محل پیوند بیشینه‌ است و بایاس معکوس این میدان را تقویت می‌کند و هرچه این میدان بزرگتر باشد، سرعت رانشی²حاملها بزرگتر خواهد بود به ازای یک مفدار بحرانی برای میدان الکتریکی(ناشی از پیوند و ناشی از وجود میدان خارجی(که همان ولتاژشکست است)) حاملها به طور متوسط چنان شتاب می‌گیرند که انرژی کافی برای برخورد با شبکه بلور و شکستن پیوند‌های بلوری را داشته باشند که این فرایند با ازاد شدن یک زوج الکترون – حفره همراه‌است حاملی که به شبکهٔ بلور برخورد می‌کند،انرژی بالایی دارد که می‌تواند یک الکترون نوار ظرفیت را برانگیخته و به نوار رسانش ببرد که این با حرکت این الکترون از نوار ظرفیت در این نوار یک جای خالی الکترون (حفره) به وجود خواهد آمد اکنون هر سه حامل (یک الکترون و دو حفره) آزاد هستند تا توسط میدان الکتریکی شتاب بگیرند و در برخوردهای دیگر، حامل‌های دیگری را باهمان روش آزاد کنند، این پدیده را -که مانند بهمن در کوهستانهاست- پدیدهٔ شکست بهمنی می‌نامند. قابل توجه‌است هر حامل تنها، چه الکترون چه حفره-دو حامل تولید می‌کند که هر کدام از انها زوج‌های الکترون-حفره دیگری تولید می‌کنند.

شکست زنری:

شکست زنر در ولتاژهای معکوس پایین‌تر از ولتاژ شکست بهمنی اتفاق می‌افتد.ناخالص فاحش دیودهای زنر به این دلیل است که این قطعه ناحیه تخلیه بسیار نازکی داشته باشد.

به این خاطر دیود زنر با ولتاژ معکوس کوچکی (نوعا 5V یا حتی کمتر) به ناحیه شکست می رود.
این در حالی است که در ولتاژ بزرگتر از 5V شکست بهمنی وقوع می‌پیوندد.

اگر یک دیود در بایاس معکوس قرار گیرد ،جریان آن برابر با «جریان اشباعمعکوس ( IS )» می باشد .چنانچه ولتاژ معکوس دیود را افزایش دهیم ، به نقطه ای می رسیم که جریان دیود به طور ناگهانی و با سرعت زیاد شروع به افزایش می کند ؛ پدیده ای که دراین حالت اتفاق می افتد «پدیده شکست» و ولتاژ شروع این پدیده «ولتاژ شکست معکوس( VR )» نام دارد .

ولتاژ شکست دیود به ساختمان اتصال P-N ومیزان ناخالصی آن بستگی دارد . شکست دیود می تواند ناشی از دو پدیده «شکست ضرب بهمنی» و «شکست زنر» باشد .با اینکه در هر دو پدیده شدت میدان الکتریکی ناشی از اعمال ولتاژ معکوس نقش دارد ، ولی چگونگی تاثیر ولتاژ معکوس این دو پدیده را از هم متمایز می کند .

ویژگی شکست ضرب بهمنی :

در پدیده شکست ضرب بهمنی ، نیروی الکتریکی ناشی از اعمال ولتاژمعکوس ، حامل های اقلیت واقع در ناحیه تهی  پیوند را با سرعت بسیار زیاد به حرکت درمی آورد . این حاملها در مسیر حرکت خود با دیگراتم های سیلیکن واقع در ناحیه تهی برخورد کرده و با شکستن پیوندهای آنها تعدادی حامل جدید ایجاد می کنند . این اتفاق ( حرکت با سرعت زیاد و برخورد با اتم های دیگر برای حامل های جدید نیز رخ می دهد . در نتیجه تعداد حامل هایی که می توانند در ایجاد جریان دخالت کنند به طور ناگهانی افزایش می یابد .این پدیده که در آن برخورد حامل ها با اتم ها و آزاد کردن حامل های آنها باعث افزایش ناگهانی جریان معکوس می شود ،پدیده  شکست ضرب بهمنی نام دارد .

ديودزنر

دیود های زنر یا شكست ، دیود های نیمه هادی با پیوند p-n هستند كه در ناحیه بایاس معكوس كار كرده و دارای كاربردهای زیادی در الكترونیك ، مخصوصآ به عنوان ولتاژ مبنا و یا تثبیت كننده ی ولتاژ دارند.

هنگامیكه پتانسیل الكتریكی دو سر دیود را در جهت معكوس افزایش دهیم در ولتاژ خاصی پدیده شكست اتفاق می افتد، بد ین معنی كه با افزایش بیشتر ولتاژ ، جریان بطور سریع و ناگهانی افزایش خواهد داشت. دیود های زنر یا شكست دیود هایی هستند كه در این ناحیه یعنی ناحیه شكست كار میكنند و ظرفیت حرارتی آنها طوری است كه قادر به تحمل محدود جریان معینی در حالت شكست می باشند، برای توجیه فیزیكی پدیده شكست دو نوع مكانیسم وجود دارد.
مكانیسم اول در ولتاژهای كمتر از 6 ولت برای دیودهایی كه غلظت حامل ها در آن زیاد است اتفاق می افتد و به پدیده شكست زنر مشهور است. در این نوع دیود ها به علت زیاد بودن غلظت ناخالصی ها در دو قسمت
p و n ، عرض منطقه ی بار فضای پیوند باریك بوده و در نتیجه با قرار دادن یك اختلاف پتانسیل v بر روی دیود (پتانسیل معكوس) ، میدان الكتریكی زیادی در منطقه ی پیوند ایجاد می شود.

با افزایش پتانسیل v به حدی می رسیم كه نیروی حاصل از میدان الكتریكی ، یكی از پیوند های كووالانسی را می شكند. با افزایش بیشتر پتانسیل دو سر دیود از انجایی كه انرژی یا نیروهای پیوند كووالانسی باند ظرفیت در كریستال نیمه هادی تقریبأ مساوی صفر است ، پتانسیل تغییر چندانی نكرده ، بلكه تعداد بیشتری از پیوندهای ظرفیتی شكسته شده و جریان دیود افزایش می یابد.
آزمایش نشان میدهد كه ضریب حرارتی ولتاژ شكست برای این نوع دیود منفی است ، یعنی با افزایش درجه حرارت ولتاژ شكست كاهش می یا بد. بنابر این دیود با ولتاژ كمتری به حالت شكست می رود (انرژی باند غدغن برای سیلیكن و ژرمانیم در درجه حرارت صفر مطلق بترتیب 1.21 و0.785 الكترون_ولت است، و در درجه حرارت 300 درجه كلوین این انرژی برای سیلیكن
ev 1.1و برای ژرمانیم ev0.72 خواهد بود). ثابت می شود كه میدان الكتریكی لازم برای ایجاد پدیده زنر در حدود 2*10است.

این مقدار برای دیود هایی كه در آنها غلظت حامل ها خیلی زیاد است در ولتاژهای كمتر از 6 ولت ایجاد می شود . برای دیودهایی كه دارای غلظت حاملهای كمتری هستند ولتاژ شكست زنر بالاتر بوده و پدیده ی دیگری بنام شكست بهمنی در آنها اتفاق می افتد (قبل از شكست زنر).
مكانیسم دیگری كه برای پدیده شكست ذكر می شود ، مكانیسم شكست بهمنی است. این مكانیسم در مورد دیودهایی كه ولتاژ شكست آنها بیشتر از 6 ولت است صادق می باشد . در این دیود ها به علت كم بودن غلظت ناخالصی ، عرض منطقه ی بار فضا زیاد بوده و میدان الكتریكی كافی برای شكستن پیوندهای كووالانسی بوجود نمی آید ، بلكه حاملهای اقلیتی كه بواسطه انرژی حرارتی آزاد می شود ، در اثر میدان الكتریكی شتاب گرفته و انرژی جنبشی كافی بدست آورده و در بار فضا با یون های كریستال برخورد كرده و در نتیجه پیوندهای كووالانسی را می شكنند . با شكستن هر پیوند حاملهای ایجاد شده كه خود باعث شكستن پیوند های بیشتر می شوند .
بدین ترتیب پیوندها بطور تصاعدی یا زنجیری و یا بصورت پدیده ی بهمنی شكسته می شوند و این باعث می شود كه ولتاژ دو سر دیود تقریبأ ثابت مانده و جریان آن افزایش یافته و بواسطه ی مدار خارجی محدود می شود . چنین دیود هایی دارای ضریب درجه ی حرارتی مثبت هستند . زیرا با افزایش درجه ی حرارت اتمهای متشكله كریستال به ارتعاش در آورده ، در نتیجه احتمال برخورد حاملهای اقلیت با یونها ، بهنگام عبور از منطقه بار فضا زیادتر می گردد . به علت زیاد شدن برخوردها احتمال اینكه انرژی جنبشی حفره یا الكترون بین دو برخورد متوالی بمقدار لازم برای شكست پیوند برسد كمتر شده و در نتیجه ولتاژ شكست افزایش می یابد.

ویژگی شکست زنر :

در پدیده شکست زنر با ازدیاد ولتاژ معکوس دیود ، میدان الکتریکی در ناحیه تهی به حدی می رسد که مستقیماً پیوندهای کوالان اتمهای سیلیکن واقع دراین ناحیه را شکسته و حاملهای زیادی را آزاد می کند .به عبارت دیگردر پدیده شکست زنر افزایش جریان معکوس ناشی از تاثیر مستقیم میدان الکتریکی است .

احتمال وقوع پدیده شکست ضرب بهمنی در دیودهای سیلیکنی که ولتاژ شکست آنها بزرگتر از 5 ولت است ، بیشتر می باشد ؛ در حالی که شکست زنر غالباً در دیودهای با ولتاژ شکست کمتر از 5 ولت اتفاق می افتد .همچنین در شکست زنر با افزایش دما اندازه ولتاژ شکست کاهش

 می یابد ، (گرماگير)ولی در شکست ضرب بهمنی عکس این حالت اتفاق می افتد .(گرماده)

كاربرد ديود زنر

دیودهای زنر به طور گسترده‌ای برای تنظیم ولتاژ در سراسر مدارهای کوچک و به عنوان تنظیم کننده‌های شنت استفاده می‌شود. هنگامی که به طور موازی با یک منبع ولتاژ تغییر پذیر به طوری که آن معکوس و یک پهلو متصل شود. زمانی که ولتاژ به ولتاژ شکست معکوس دیود می‌رسد، به سبب امپدانس نسبتا کم دیود جریان الکتریک ثابت می‌ماند و ولتاژ دو سر دیود به آن ولتاژ است.

نتيجه گيري

در شکست بهمنی حامل های اقلیت هنگام عبور از میدان درون ساخته، انرژی می گیرند و اگر انرژی آن ها به حد معینی برسد در برخورد با اتم های si می توانند الکترون های باند ظرفیت آن را آزاد کرده و وارد باند هدایت نماید، همین روند برای الکترون اولیه و الکترون آزاد شده تکرار شده و جریان بطور ناگهانی زیاد می شود. بنابراین علت شکست بهمنی برخورد الکترون های پرانرژی به اتم های si است. از طرفی انرژی گرفته شده توسط الکترون به مدت زمان بین دو برخورد متوالی بستگی دارد و هر چه این مدت زمان بیشتر باشد الکترون انرژی بیشتری می گیرد، حال اگر دما افزایش یابد، مدت زمان بین دو برخود کاهش می یابد و الکترون ها انرژی کمتری از میدان می گیرند و انرژی آنها کمتر از انرژی لازم برای شکستن پیوند اتم های si خواهد بود و بنابراین برای شکستن این پیوندها باید انرژی الکترون ها را زیاد کنیم و این یعنی افزایش ولتاژ خارجی، چون در بایاس معکوس افزایش ولتاژ سبب افزایش قدرت میدان الکتریکی میشود.
در مور شکست زینری؛ اگر شدت میدان از یک حدی بیشتر شود، مستقیما سبب شکستن پیوندهای اتم های si  میشود، حال با افزایش دما، انرژی اتم ها افزایش یافته و شدت میدان لازم برای شکستن پیوند آنها پایین می آید، به عبارت بهتر ولتاژ خارجی کمتری لازم خواهد بود.

 

 

منابع

سايت ويكي پديا

مبانی نیمه هادی ترجمه دکتر محمد کاظم فرشچی

مبانی الکترونیک جلد اول دکتر علی میر عشقی

Base of Semiconductor Authors R.F.Peirret & G.W.neudeck

http://aelectronic.blogfa.com/post-2.aspx

www.asrehjadid.ir