A quebra de Zener e a quebra de avalanche são processos que fazem com que correntes reversas fluam através das junções p-n em diodos quando grandes tensões de polarização reversa são aplicadas.

Antecedentes de Zener Breakdown e Avalanche Breakdown

A junção p - n sob equilíbrio

Uma junção p-n consiste em um semicondutor do tipo p em contato com um semicondutor do tipo n. Quando são colocados em contato, elétrons e lacunas se difundem do lado em que estão mais concentrados para o lado em que estão menos concentrados. Este fluxo de portadores majoritários devido a um gradiente de concentração é chamado de corrente de difusão.

A maioria dos portadores no lado n são elétrons e, portanto, eles se difundem para o lado p, deixando o lado n carregado positivamente. Da mesma forma, os orifícios, que são portadores majoritários do lado p, se difundem para o lado n, deixando o lado p com uma carga negativa. Essas regiões carregadas formam a região de carga espacial (ou região de depleção).

Eventualmente, as regiões carregadas dão origem a um campo elétrico, que atua como uma barreira potencial para a corrente de difusão. Este campo elétrico também varre portadores minoritários em toda a região de carga espacial - ou seja. elétrons do lado p para o lado n, e buracos do lado n para o lado p. Esse fluxo de portadores minoritários é denominado corrente de deriva e está na direção oposta à da corrente de difusão. Um equilíbrio é estabelecido, onde a corrente de deriva é igual à corrente de difusão, fazendo com que a corrente líquida flua através da junção zero.

Figura 1: A junção p-n em equilíbrio; Acima: as faixas de energia, Meio: Esquemático, Abaixo: Direções

A junção p - n sob polarização direta

Uma junção p - n está em polarização direta quando uma tensão é aplicada através da junção p - n externamente, com o lado p conectado ao potencial mais positivo do que o lado n. A conexão em polarização direta reduz a barreira potencial para a corrente de difusão e também reduz a largura de carga de espaço. A corrente de difusão aumenta substancialmente como resultado da barreira de potencial reduzida. A corrente de deriva, no entanto, permanece virtualmente inalterada. O resultado geral é uma corrente líquida que flui do lado p para o lado n.

À medida que a tensão direta através do diodo aumenta ainda mais, a corrente aumenta exponencialmente. Em tensões diretas muito altas, a corrente direta satura e os efeitos do aquecimento podem causar a quebra do diodo.

Figura 2: A junção p-n na polarização direta

A junção p - n sob polarização reversa

A junção p - n está em polarização reversa quando a tensão é aplicada através da junção, com o lado n conectado ao potencial mais positivo. Aqui, a barreira potencial para a corrente de difusão e a largura da carga espacial são aumentadas. Como a barreira de potencial agora é grande, a corrente de difusão cai. A corrente de deriva não muda significativamente. O resultado geral é uma pequena corrente líquida fluindo do lado n para o lado p, que é chamada de corrente de saturação reversa (

) Aumentar a tensão reversa através da junção não causa nenhuma mudança na corrente até que, em grandes tensões reversas, os processos de ruptura de Zener e avalanche causem o fluxo de grandes correntes reversas.

Figura 3: A junção p-n sob polarização reversa

Para um diodo típico, esses efeitos são resumidos no seguinte gráfico de corrente vs. tensão:

Figura 4: Gráfico de corrente vs. tensão para um diodo ideal

Discriminação

Os diodos só permitem que uma corrente considerável flua quando eles estão conectados em polarização direta. Portanto, eles podem ser usados ​​para garantir que a corrente em um circuito flua ao longo de uma determinada direção. Por exemplo, diodos podem ser usados ​​para converter corrente alternada em corrente contínua. No entanto, como mencionado acima, uma grande tensão reversa pode causar o fluxo de correntes reversas. Isso é conhecido como quebra e pode ocorrer tanto como “quebra de Zener” ou como “quebra de avalanche”. As diferenças entre os dois tipos de repartição são descritas a seguir.

Zener Breakdown

Na quebra de Zener, os elétrons “tunelam” da banda de valência do lado p para a banda de condução do lado n. Na física clássica, os elétrons não deveriam ser capazes de se cruzar dessa maneira. O tunelamento é, na verdade, um fenômeno da mecânica quântica, que surge de elétrons com propriedades de onda.

A probabilidade de um elétron fazer um túnel é maior quando a região de carga espacial é mais estreita e quando o campo elétrico é maior. Normalmente, a quebra de Zener ocorre onde os materiais usados ​​para construir a junção p - n são fortemente dopados. Nessas junções, devido ao forte doping, a região de carga espacial é bastante estreita, mesmo quando a junção está sob polarização reversa.

Figura 5: Discriminação do Zener

Avaliação da avalanche

Na quebra de uma avalanche, os portadores de carga na região de carga espacial ganham tanta energia cinética com o campo elétrico acelerado que podem colidir com os átomos da rede e arrancar os elétrons deles, criando pares elétron-buraco. Isso também é conhecido como ionização por impacto. Esses elétrons e buracos recém-separados também são acelerados pelo campo elétrico, fornecendo-lhes grandes quantidades de energia cinética. Nesse ínterim, os portadores de carga originais, que perderam energia durante a colisão, também são acelerados. Consequentemente, tanto os portadores de carga originais quanto os recentemente separados agora têm a capacidade de causar ionização por impacto. O processo é chamado de quebra de “avalanche” porque, com cada colisão, mais e mais portadores de carga são disponibilizados para causar ionizações de impacto futuro.

Em termos de bandas de energia, a energia cinética do portador de carga de entrada deve ser maior do que a "lacuna" de energia entre as bandas de condução e valência para que a ionização por impacto ocorra. Então, uma vez que a colisão ocorre e o par elétron-buraco é formado, este elétron e o buraco estão essencialmente nas bandas de condução e valência, respectivamente.

Figura 6: Análise da avalanche. O diagrama mostra apenas buracos altamente energéticos criando pares elétron-buraco. Nesse ínterim, os elétrons também acelerariam e criariam ainda mais pares elétron-buraco por meio de colisões com átomos da rede.

Para a maioria dos diodos, a quebra de avalanche é o efeito dominante. Para um determinado diodo, o efeito dominante é determinado pelo material usado para construir a junção e também pelo nível de dopagem.

Diferença entre Zener e avaria de avalanche