Abhängig von ihren elektrischen Eigenschaften werden Materialien als Leiter eingestuft. Halbleiter und Isolatoren. Leiter sind Materialien, die leicht Elektrizität leiten können. Im Gegensatz dazu werden Materialien, die keinen Strom leiten können, als Isolatoren eingestuft. Die Eigenschaften von Halbleitermaterialien liegen zwischen Leitern und Isolatoren. Während der Arbeit mit Isolatoren haben Forscher beobachtet, dass Isolatormaterial dazu gebracht werden kann, sich als Leiter zu verhalten, wenn eine bestimmte Menge Elektrizität an sie angelegt wird. Dieses Phänomen wurde als Durchschlag bezeichnet, und die minimale Spannung, bei der dies auftritt, wird als Durchbruchspannung bezeichnet. Diese Spannungspegel sind für verschiedene Materialien unterschiedlich und hängen auch von ihren physikalischen Eigenschaften ab.
Was ist eine Durchbruchspannung?
Durchschlagspannung ist das Merkmal von Isolatormaterialien. Der minimale Spannungspegel, bei dem sich ein Isolator als Leiter verhält und Elektrizität leitet, wird als „Durchschlagspannung“ bezeichnet. Er wird auch als Spannungsfestigkeit des Materials bezeichnet.
Leitung von Elektrizität ist nur möglich, wenn die Materialien mobile elektrische Ladungen enthalten. Isolatoren können keinen Strom leiten, da sie keine kostenlosen mobilen elektrischen Ladungen enthalten. Wenn eine Potentialdifferenz über den Isolator angelegt wird, leitet er keinen Strom.
Wenn der Wert der angelegten Potentialdifferenz über bestimmte Werte hinaus erhöht wird, werden einige Elektronenpaare gebrochen und der Ionisationsprozess beginnt im Material. Dies führt zur Bildung freier mobiler Elektronen. Diese mobilen Ladungen bewegen sich vom positiven zum negativen Ende und verursachen den Stromfluss.
Somit beginnt der Isolator, Elektrizität zu leiten und verhält sich wie ein Leiter. Dieser Prozess ist als elektrischer Durchschlag des Materials bekannt, und die minimale Spannung, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als 'Durchbruchspannung des Materials' bezeichnet. Dieser Spannungspegel variiert für verschiedene Arten von Materialien in Abhängigkeit von Materialzusammensetzung, Form, Größe und Länge des Materials zwischen elektrischen Kontakten. Der vom Hersteller angegebene Durchbruchspannungswert eines Materials ist normalerweise der durchschnittliche Durchschlagspannungswert.
Diodenausfallspannung
Dioden sind die Halbleiter und ihre elektrischen Eigenschaften liegen zwischen denen von Leitern und Isolatoren. EIN PN-Sperrschichtdiode wird unter Verwendung eines Materials vom P-Typ und N-Typ gebildet. PN-Sperrschichtdioden enthalten eine Bandlücke, durch die der Austausch von Ladungsträgern stattfindet. Wenn eine Vorwärtsvorspannung angelegt wird, fließt Strom in Vorwärtsrichtung und es findet eine Leitung statt. Wenn eine Sperrvorspannung angelegt wird, sollte keine Leitung stattfinden. Aufgrund des Vorhandenseins von Minoritätsladungsträgern fließt jedoch ein kleiner Rückstrom durch die Diode, der als Leckstrom bekannt ist.
Aufgrund des Rückstromflusses nimmt die Breite der Sperrschicht zu. Wenn diese angelegte Sperrvorspannung an einem bestimmten Punkt allmählich erhöht wird, kann ein schneller Anstieg des Sperrstroms beobachtet werden. Dies wird als Junction-Aufschlüsselung bezeichnet. Die an diesem Punkt entsprechend angelegte Sperrspannung ist bekannt als Durchbruchspannung der PN-Sperrschichtdiode . Dies ist auch bekannt als Durchbruchspannung umkehren .
In Sperrrichtung vorgespannte PN-Junction-Diode
Der wesentliche Faktor zur Bestimmung der Durchbruchspannung der Diode ist ihre Dotierungskonzentration. Das Überschreiten dieses Spannungspegels führt zu einem exponentiellen Anstieg des Leckstroms der Diode. Bei einem Diodenausfall kann eine Überhitzung beobachtet werden. Beim Betrieb mit Sperrspannungen werden daher Kühlkörper und externe Widerstände verwendet.
Durchbruchspannung der Zenerdiode
Zenerdioden werden als Grundbausteine in verwendet elektronische Schaltkreise . Sie werden üblicherweise verwendet, um eine Referenzspannung für die elektronischen Schaltungen bereitzustellen. Sie sind so ausgelegt, dass sie in den Durchbruchbereichen der Diode arbeiten.
Zenerdioden sind stark dioden, die in den in Sperrrichtung vorgespannten Bereichen zuverlässig arbeiten können. Hier erfolgt der Zusammenbruch aufgrund des Zener-Effekts. Im Zener-Effekt, wenn das elektrische Feld der Sperrrichtung vorgespannt ist PN-Diode erhöht wird, findet ein Tunneln der Valenzelektronen in das Leitungsband statt. Dies führt zu einer Erhöhung der Minoritätsladungsträger, wodurch der Rückstrom erhöht wird. Dieses Phänomen ist als Zener-Effekt bekannt, und die minimale Spannung, bei der dieses Phänomen beginnt, ist bekannt als Zener Zusammenbruch Stromspannung.
Lawinenzusammenbruch
Bei leicht dotierten Dioden findet aufgrund des Lawineneffekts ein Durchschlag statt. Hier im Avalanche-Effekt gewinnen die Minoritätsladungsträger kinetische Energie und kollidieren mit den Elektron-Loch-Paaren, wenn eine Diode aufgrund eines erhöhten elektrischen Feldes in Sperrrichtung betrieben wird, wodurch ihre kovalente Bindung unterbrochen und neue mobile Ladungsträger erzeugt werden. Diese Zunahme der Anzahl von Minoritätsladungsträgern führt zu einer Zunahme des Rückstroms, der einen Durchschlag verursacht. Hier ist die Durchbruchspannung bekannt als Lawinendurchbruchspannung .
Breakdown-in-Zener-Diode
Die Durchbruchspannung der allgemein verfügbaren Zenerdiode variiert zwischen 1,2 V und 200 V. Die Zenerdiode weist einen kontrollierten Durchschlag auf und benötigt keine externen Schaltkreise, um den Strom zu begrenzen. Die V-I-Eigenschaften der Diode mit Lawinendurchbruch nehmen allmählich zu, während für eine Diode mit Zener-Durchbruch die V-I-Eigenschaften scharf sind.
Aufschlüsselung nach Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen
Neben Feststoffen haben viele Gase und Flüssigkeiten auch Isolatoreigenschaften und es kommt auch zu Durchbruchphänomenen. Die minimale Durchschlagfestigkeit von Silizium bei Raumtemperatur kann unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden.
ebr| = (12 × 105) / (3 log (N / 10)16)) V / cm
Luft wirkt auch als Isolator bei normalen atmosphärischen Druckbedingungen. Es fällt aus, wenn die Spannung über 3,0 kV / mm ansteigt. Durchschlagspannungen von Gasen können mit berechnet werden Paschens Gesetz . Bei Teilvakuumbedingungen wird die Durchschlagspannung der Luft nimmt ab. Wenn die Luft zusammenbricht, kommt es zu Funkenbildung. Diese Spannungen werden auch als Schlagspannungen bezeichnet.
Das Durchschlagspannung des Transformatoröls wird auch als Spannungsfestigkeit bezeichnet. Dies ist der Spannungswert, bei dem Funken zwischen zwei Elektroden beobachtet werden, die durch einen Spalt getrennt und in das Transformatoröl eingetaucht sind. Wenn das Öl Feuchtigkeit oder andere leitende Substanzen enthält, werden niedrigere Durchschlagspannungswerte beobachtet. Die minimale Spannungsfestigkeit des idealen Transformatoröls beträgt 30 kV.
Der Ausfall kann auch bei stromführenden Kabeln beobachtet werden. Die Durchschlagspannung des Kabels hängt vom Vorhandensein von Feuchtigkeit in der Umgebung, dem Zeitpunkt des Anlegens der Spannung und der Arbeitstemperatur der Kabel ab. Was ist die minimale Durchbruchspannung von a Zenerdiode ?
