دیود بهمنی Avalanche (نحوه کار و کاربرد ها)

در این مقاله میخواهیم با دیود بهمنی آشنا شویم و نحوه کار آن را بررسی کنیم. دیود بهمنی یک از دیود های محبوب هست که با نام دیود آوالانچ یا دیود آوالانچی نیز شناخته میشود.

دیود بهمنی چیست؟

دیود بهمنی نوعی دیود نیمه رساناست که برای ایجاد شکست بهمنی در ولتاژ بایاس معکوس طراحی شده است. پیوند pn یک دیود بهمنی بدین منظور طراحی شده است تا از تمرکز جریان و در نتیجه به وجود آمدن نقاط داغ جلوگیری کند تا دیود به وسیله شکست بهمنی بدون آسیب باقی بماند.

شکست بهمنی به این سبب رخ می دهد که حامل های اقلیت به اندازه ای شتاب می گیرند که در در شبکه بلوری یونازیسیون ایجاد کرده و حامل های بیشتری تولید کنند که به نوبه خود موجب ایجاد یونیزاسیون بیشتری می شود. از آنجایی که شکست بهمنی در کل پیوند یکنواخت است، ولتاژ شکست با تغییر جریان در مقایسه با یک دیود غیر بهمنی تقریباً بدون تغییر باقی می ماند.

ساختار دیود بهمنی مشابه دیود زنر است و در واقع پدیده شکست هم در دیود زنر و هم در دیود بهمنی رخ می دهد. دیودهای بهمنی برای شرایط شکست بهمنی بهینه سازی شده اند، بنابراین برخلاف دیودهای زنر که همیشه ولتاژی بیشتر از ولتاژ شکست دارند، افت ولتاژ کوچک اما قابل توجهی را در شرایط شکست از خود نشان می دهند.

این ویژگی نسبت به یک دیود ساده زنر، حفاظت از نوسانات جریان بهتری را ارائه می دهد و بیشتر شبیه جایگزینی برای تیوب تخلیه (discharge) گاز عمل می کند. دیودهای بهمنی دارای ضریب ولتاژ دمای مثبت کوچکی هستند، در حالی که دیودهای متکی بر اثر زنر دارای ضریب دمایی منفی هستند.

دیود معمولی اجازه می دهد جریان الکتریکی در یک جهت یعنی در جهت مستقیم حرکت کند. در حالی که دیود بهمنی جریان را در هر دو جهت یعنی جهت مستقیم و معکوس از خود عبور می دهد، اما به طور ویژه برای کار در شرایط بایاس معکوس طراحی شده است.

شرایط بایاس معکوس در دیود چیست؟

هنگامی که یک پایانه مثبت باتری به ناحیه N (کاتد) و ترمینال منفی به ناحیه P (آند) وصل می شود، در این حالت گفته می شود که اتصال بایاس معکوس است.

حال اگر یک دیود به آرامی دوپ شود (یعنی غلظت ناخالصی ها کمتر باشد)، عرض ناحیه تخلیه افزایش می یابد بنابراین ولتاژ شکست در ولتاژ بسیار بالا رخ می دهد.

در یک ولتاژ بایاس معکوس بسیار بالا، میدان الکتریکی در ناحیه تخلیه قوی می شود و به نقطه ای می رسد که شتاب حامل های اقلیت به حدی است که وقتی با اتم های نیمه هادی در ناحیه تخلیه برخورد می کنند، پیوندهای کووالانسی را می شکنند.

بنابراین جفت الکترون-حفره ایجاد می شود. جفت ‌های الکترون-حفره ‌ای که به تازگی تولید شده ‌اند نیز توسط میدان الکتریکی شتاب می ‌گیرند که منجر به برخوردهای بیشتر و تولید هرچه بیشتر حامل‌ های بار و چند برابر شدن تعداد حامل ‌ها می ‌شود.

این فرآیند پیوسته جریان معکوس را در دیود افزایش می دهد و از این رو دیود در شرایط شکست قرار می گیرد. به این نوع شکست، شکست بهمنی نامیده می شود (سیل نیز به آن گفته می شود) و این اثر به اثر بهمنی معروف است.

منطقه تخلیه در دیود کدام است؟

منطقه تخلیه یک منطقه عایق است که در آن جریان حامل های بار کاهش می یابد. الکترون‌ های آزاد از سمت N دیود پیوند P-N به سمت P حرکت می کنند و در این ناحیه مجددا با حفره‌ ها ترکیب شده و اتم ‌ها دارای بار منفی می ‌شوند.

به این ناحیه، ناحیه یون های بی حرکت منفی می گویند. به طور مشابه، حفره های سمت P به سمت N حرکت می کنند، و در این ناحیه با الکترون ‌های آزاد دوباره ترکیب شده و اتم ‌ها دارای بار مثبت می ‌شوند. به طور مشابه به این ناحیه، ناحیه یون های بی حرکت مثبت می گویند.

نوترکیب الکترون ها و حفره ها به صورت تصاعدی با زمان تجزیه شده و بنابراین دیواری در نزدیکی محل پیوند با یون های بی حرکت منفی در سمت p و یون های غیر متحرک مثبت در سمت n به وجود می آید. با توجه به این فرآیند نوترکیبی، یک لایه تخلیه در دو طرف پیوند تشکیل می شود.

این لایه فقط شامل یون های غیر متحرک است و در سراسر محل پیوند قطبیت مخالف دارند. این لایه حاوی هیچ حامل بار آزادی نیست، بنابراین با عنوان منطقه تخلیه، لایه تخلیه یا منطقه عایق شناخته می شود.

یون بی حرکت و یون متحرک

یون های بی حرکت یون های ثابت اتم های دارای ناخالصی هستند و قادر به حرکت نیستند. یون های متحرک یون های آزاد و حامل بارهای الکتریکی هستند.

پیوند کووالانسی چیست؟

اشتراک یک الکترون بین دو اتم، پیوندهای کووالانسی را تشکیل می دهد.

پیوند کووالانسی پیوندی است که در آن الکترون ها به طور مساوی بین اتم های پیوندی تقسیم می شوند. پیوند کووالانسی موجب می شود الکترون ها، هر اتم را در یک نیمه هادی احاطه کنند.

به عنوان مثال، سیلیکون و ژرمانیوم صرفاً پیوند کووالانسی دارند زیرا الکترون ها به طور مساوی در آن ها تقسیم می شوند.

کاربرد دیود بهمنی

برخی از کاربردهای دیود بهمنی عبارتند از:

• به منظور حفاظت مدار از دیود بهمنی استفاده می شود. هنگامی که ولتاژ بایاس معکوس افزایش می ‌یابد، در این هنگام در حد معینی از ولتاژ، اثر بهمنی در دیود رخ می دهد و دیود به دلیل اثر بهمنی دچار شکست می شود.
• برای محافظت از مدار در برابر ولتاژهای ناخواسته استفاده می شود.
• در محافظ های برق جهت محافظت مدار در برابر ولتاژ افزایش استفاده می شود.

نماد دیود بهمنی

نماد دیود بهمنی همچون دیود زنر است.

تفاوت بین شکست زنری و شکست بهمنی

تفاوت بین شکست زنری و شکست بهمنی در جدول زیر به صورت خلاصه ارائه شده است:

نمودار مشخصه I-V دیود بهمنی

مشخصه های I-V تغییر جریان برای ولتاژ اعمال شده است. شکل بالا ویژگی های ترکیب شکست زنر (دیود زنر) و شکست بهمنی را نشان می دهد.

خاطر نشان می شود که هر دو شکست زمانی رخ می دهد که یک دیود در شرایط بایاس معکوس باشد.

شکست زنر در ولتاژ شکست کمتر از 4 ولت که با ولتاژ Vz نشان داده می شود و شکست بهمنی در ولتاژ شکست بیش از 6 ولت که به عنوان VBR نشان داده می شود رخ می دهد.

ولتاژ شکست بهمنی کدام است؟

هنگامی که ولتاژ بایاس معکوس را در یک پیوند P-N افزایش می دهیم، جریان اشباع معکوس تا یک نقطه مشخص ثابت می ماند. اگر این ولتاژ بایاس معکوس بیشتر شود، پیوند را از بین می برد، یعنی خرابی الکتریکی و جریان معکوس به شدت به مقدار بالایی افزایش می یابد.

این مقدار بحرانی ولتاژ بایاس معکوس که در آن جریان معکوس به طور غیر منتظره ای افزایش می یابد و شکست بهمنی رخ می دهد به عنوان ولتاژ شکست بهمنی شناخته می شود. معمولاً شکست بهمن در ولتاژ شکست بیش از 6 ولت رخ می دهد.

آیا شکست بهمنی برگشت پذیر است؟

شکست بهمنی برگشت پذیر نیست در حالی که شکست زنری برگشت پذیر است.

شکست بهمنی به دلیل برخورد حامل های بار شتاب دار با اتم های مجاور و به دلیل چند برابر شدن تعداد حامل ها رخ می دهد. با این حال، شکست زنری به دلیل شکستن پیوندهای کووالانسی توسط میدان الکتریکی قوی در سراسر محل پیوند رخ می دهد. یعنی در زنر توان شکست دیود افزایش نمی یابد.

اگر یک مقاومت را با یک دیود سری کنیم، شکست بهمنی می تواند برگشت پذیر باشد.

چرا شکست زنری برگشت پذیر اما شکست بهمنی برگشت پذیر نیست؟

اگر یک پیوند P-N در شرایط شکست زنری باشد و اگر در این لحظه ولتاژ بایاس معکوس خارجی را کاهش دهیم، پیوند P-N آسیب نمی بیند و به حالت اولیه خود باز می گردد. با این حال، اگر یک پیوند P-N در شرایط شکست بهمنی باشد و اگر ولتاژ بایاس معکوس را کاهش دهیم، پیوند P-N نمی تواند به حالت اولیه خود بازگردد. به این معنی که در شرایط شکست بهمنی، پیوند P-N برای همیشه آسیب می بیند.