Efect avalanșă (electronică)
Efectul avalanșei sau defalcarea avalanșei este un proces de multiplicare a curentului electric care conduce la fluxul de curenți de intensitate ridicată în alte materiale izolante bune.
Apare în prezența câmpurilor electrice foarte intense, care pot proveni din prezența unei diferențe mari de potențial (ca în sistemele de transmitere a energiei electrice ), sau dintr-o tensiune moderată, dar impusă pe o distanță foarte scurtă (ca în dispozitive semiconductoare ).
Procesul
Fenomenul apare în solide, lichide sau gaze, izolatori sau semiconductori, când li se aplică un câmp electric suficient de intens pentru a accelera electronii liberi prezenți în material la o viteză atât de mare încât coliziile ulterioare cu atomii materialului în sine duc la formarea altor electroni liberi: numărul de electroni liberi (purtătorii de sarcină) este astfel crescut rapid.
Intensitatea câmpului electric necesar pentru a obține defectarea avalanșei variază foarte mult între diferite materiale: în aer este de obicei suficient 3 MV / m, în timp ce pentru un bun izolator, cum ar fi materialele ceramice, este necesar să se atingă intensități de 40 MV / m sau superior.
Când începe avarierea, electronii liberi sunt accelerați de câmpul electric la viteze foarte mari. Pe măsură ce călătoresc prin material, se ciocnesc continuu cu atomii. Dacă câmpul electric nu este suficient de intens, viteza electronilor nu este suficientă pentru a menține defectarea avalanșei, în coliziuni electronii sunt reabsorbiți de atomi și procesul încetează; dacă, pe de altă parte, viteza este suficient de mare, coliziile rup alți electroni din atomii materialului (acest proces se numește ionizare de impact ): atât electronii liberi originali, cât și cei care tocmai au fost eliberați, sunt accelerați din nou de electricitatea câmp și în coliziuni ulterioare produc alți electroni liberi.
Odată ce intensitatea câmpului adecvată a fost obținută, prin urmare, un singur electron liber este suficient pentru a începe procesul și întrucât electronii liberi sunt prezenți la temperatura camerei chiar și în cei mai buni izolatori, odată ce condițiile de declanșare au fost atinse, procesul va avea loc întotdeauna.
Pe măsură ce procesul continuă, prin urmare, numărul de electroni liberi din material crește exponențial, atingând valori de vârf în câteva picosecunde : în consecință, se obțin intensități de curent foarte mari, limitate doar de circuitul extern.
Când electronii ajung la anod, procesul se oprește, cu excepția cazului în care au fost produse și găuri .
Aplicații
Dacă intensitatea curentului nu este limitată din exterior, procesul duce de obicei la distrugerea dispozitivului în care are loc.
Pe de altă parte, când curentul este limitat din exterior, defectarea avalanșei poate fi exploatată cu succes.
Fenomenul este utilizat în dispozitive semiconductoare, cum ar fi dioda avalanșă , fotodiodă avalanșă , tranzistor avalanșă și tuburi de gaz . La dispozitivele care utilizează efectul de avalanșă, intensitatea câmpului electric este menținută imediat sub pragul declanșatorului: deși poate varia în funcție de detaliile dispozitivului, de obicei sunt utilizate câmpuri electrice de intensitate cuprinsă între 20 și 40 MV / m.
În unele dintre aceste dispozitive, de exemplu, fenomenul este utilizat pentru a crește intensitatea curentului altfel nesemnificativ și pentru a obține un câștig mai mare. În plus, viteza procesului permite răspunsuri prompte de la sistem.
Semiconductori în stare solidă
Defalcarea avalanșei are loc într-o joncțiune pn atunci când sunt atinse anumite valori negative de tensiune , adică atunci când joncțiunea este supusă polarizării inverse . Fenomenul implică creșterea bruscă a curentului care curge la o tensiune substanțial constantă.
Acest fenomen apare în condiții particulare: joncțiunea trebuie să aibă o regiune de epuizare destul de mare (W), adică dopajul regiunilor neutre nu trebuie să fie foarte mare. Efectul de avalanșă determină un purtător generat la începutul regiunii de epuizare , fiind supus unei accelerații mari, să dea naștere la formarea de perechi electron - gaură în urma coliziunilor purtătorului însuși cu atomii rețelei de cristal . Acest fenomen itera foarte repede provocând un efect cumulativ cunoscut sub numele de avalanșă.
Este posibil să se definească un factor de multiplicare pentru avalanșa M astfel încât:
unde este este curentul produs de electroni, M este factorul de avalanșă și este curentul asociat cu un singur electron. Acest fenomen are loc atât pentru electroni, cât și pentru găuri. Curentul general la starea de echilibru este constantă.
Bibliografie
- Proiectare circuit microelectronic - Richard C Jaeger - ISBN 0-07-114386-6
- The Art of Electronics - Horowitz & Hill - ISBN 0-521-37095-7
- Ghidul Universității din Colorado pentru proiectarea Advance MOSFET , pe ece-www.colorado.edu .
