ไดโอดอะวาแลนซ์คืออะไร?

ไดโอดอะวาแลนซ์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ชนิดพิเศษที่ออกแบบมาให้ทำงานในบริเวณการแตกตัวย้อนกลับ ไดโอดอะวาแลนซ์ใช้เป็นวาล์วระบายแรงดัน (วาล์วชนิดหนึ่งที่ใช้ควบคุมแรงดันในระบบ) เพื่อป้องกันระบบไฟฟ้าจากแรงดันไฟฟ้าเกิน

การสร้างไดโอดอะวาแลนซ์

ไดโอดอะวาแลนซ์โดยทั่วไปทำจากซิลิคอนหรือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ โครงสร้างของไดโอดอะวาแลนซ์คล้ายกับไดโอดซีเนอร์แต่ระดับการเจือสารในไดโอดอะวาแลนซ์แตกต่างจากไดโอดซีเนอร์

ไดโอดซีเนอร์มีการเจือสารอย่างหนาแน่น ดังนั้น ความกว้างของบริเวณพร่องประจุ ในไดโอดซีเนอร์จึงบางมาก เนื่องจากชั้นหรือบริเวณพร่องประจุที่บางนี้ การพังทลายย้อนกลับจึงเกิดขึ้นที่แรงดัน ต่ำกว่า ในไดโอดซีเนอร์

ในทางกลับกัน ไดโอดอะวาแลนซ์มีการเจือจางสารเจือปนน้อยมาก ดังนั้น ความกว้างของชั้นพร่องประจุในไดโอดอะวาแลนซ์จึงกว้างมากเมื่อเทียบกับไดโอดซีเนอร์ เนื่องจากบริเวณพร่องประจุที่กว้างนี้ การพังทลายแบบย้อนกลับจึงเกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าสูงกว่าในไดโอดอะวาแลนซ์ แรงดันไฟฟ้าพังทลายของไดโอดอะวาแลนซ์ถูกกำหนดอย่างระมัดระวังโดยการควบคุมระดับการเจือจางสารเจือปนในระหว่างการผลิต

สัญลักษณ์ของไดโอดอะวาแลนซ์

สัญลักษณ์ของไดโอดอะวาแลนซ์และไดโอดซีเนอร์เหมือนกัน ไดโอดอะวาแลนซ์ประกอบด้วยขั้วสองขั้ว คือ แอโนดและแคโทด สัญลักษณ์ของไดโอดอะวาแลนซ์แสดงอยู่ในรูปด้านล่าง

‍

สัญลักษณ์ของไดโอดอะวาแลนซ์นั้นคล้ายกับไดโอดทั่วไป แต่มีขอบโค้งงอที่แถบแนวตั้ง

ไดโอดอะวาแลนซ์ทำงานอย่างไร?

ไดโอด pn จังก์ชันทั่วไปจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้เฉพาะทิศทางไปข้างหน้าเท่านั้น ในขณะที่ไดโอดอะวาแลนซ์จะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ทั้งทิศทางไปข้างหน้าและทิศทางย้อนกลับ อย่างไรก็ตาม ไดโอดอะวาแลนซ์ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะให้ทำงานในสภาวะไบแอสย้อนกลับได้

ไดโอดอะวาแลนซ์ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางย้อนกลับเมื่อแรงดันไบแอสย้อนกลับสูงกว่าแรงดันพังทลาย จุดหรือแรงดันที่กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันเรียกว่าแรงดันพังทลาย

เมื่อแรงดันไบแอสย้อนกลับที่จ่ายให้กับไดโอดอะวาแลนซ์เกินแรงดันพังทลายจะเกิดการพังทลายของจุดเชื่อมต่อ ขึ้นการพังทลายของจุดเชื่อมต่อนี้เรียกว่า การพังทลายแบบถล่มทลาย (avalanche breakdown)

เมื่อจ่ายแรงดันไบแอสไปข้างหน้าให้กับไดโอดอะวาแลนซ์ มันจะทำงานเหมือนไดโอด pn จังก์ชันทั่วไป โดยยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้

เมื่อจ่ายแรงดันไบแอสย้อนกลับให้กับไดโอดอะวาแลนซ์อิเล็กตรอนอิสระ (ตัวพาประจุส่วนใหญ่) ในสารกึ่งตัวนำชนิด nและโฮล (ตัวพาประจุส่วนใหญ่) ในสารกึ่งตัวนำชนิด pจะเคลื่อนตัวออกจากรอยต่อ ส่งผลให้ความกว้างของบริเวณพร่องประจุเพิ่มขึ้น ดังนั้น ตัวพาประจุส่วนใหญ่จึงไม่นำกระแสไฟฟ้า แต่ตัวพาประจุส่วนน้อย (อิเล็กตรอนอิสระในชนิด p และโฮลในชนิด n) จะได้รับแรงผลักจากแรงดันภายนอก

‍

ผลก็คือ ตัวนำประจุส่วนน้อยจะไหลจากชนิด p ไปยังชนิด n และจากชนิด n ไปยังชนิด p โดยนำกระแสไฟฟ้าไปด้วย อย่างไรก็ตาม กระแสไฟฟ้าที่ตัวนำประจุส่วนน้อยนำนั้นมีขนาดเล็กมาก กระแสไฟฟ้าขนาดเล็กนี้เรียกว่า กระแสรั่วไหลย้อนกลับ

หากเพิ่มแรงดันไบแอสย้อนกลับที่จ่ายให้กับไดโอดอะวาแลนซ์มากขึ้น ตัวนำส่วนน้อย (อิเล็กตรอนอิสระหรือโฮล) จะได้รับพลังงาน จำนวนมาก และเร่งความเร็วไปสู่ระดับที่สูงขึ้น

อิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงจะชนกับอะตอมและถ่ายโอนพลังงานไปยังอิเล็กตรอนวงนอกสุด

อิเล็กตรอนวงนอกสุดที่ได้รับพลังงานมากพอจากอิเล็กตรอนความเร็วสูงจะหลุดออกจากอะตอมแม่และกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ อิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้จะถูกเร่งความเร็วอีกครั้งเมื่ออิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้ชนกับอะตอมอื่นอีกครั้ง พวกมันจะทำให้เกิดการหลุดของอิเล็กตรอนตัวอื่น ๆ ตามมา

เนื่องจากการชนกันอย่างต่อเนื่องระหว่างอิเล็กตรอนและโฮล ทำให้เกิดพาหะส่วนน้อยจำนวนมาก (อิเล็กตรอนอิสระหรือโฮล) อิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากเหล่านี้จะนำกระแสไฟฟ้าส่วนเกินในไดโอด

เมื่อแรงดันย้อนกลับที่จ่ายให้กับไดโอดอะวาแลนซ์เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในที่สุดจะเกิดการพังทลายของรอยต่อหรือการพังทลายแบบอะวาแลนซ์ขึ้น ณ จุดนี้ การเพิ่มขึ้นของแรงดันเพียงเล็กน้อยจะทำให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน การเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของกระแสไฟฟ้านี้อาจทำลายไดโอด pn รอยต่อปกติอย่างถาวรได้ อย่างไรก็ตาม ไดโอดอะวาแลนซ์อาจไม่ถูกทำลายเนื่องจากได้รับการออกแบบมาอย่างระมัดระวังให้ทำงานในบริเวณการพังทลายแบบอะวาแลนซ์

แรงดันพังทลายของไดโอดอะวาแลนซ์ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของการเจือสาร การเพิ่มความหนาแน่นของการเจือสารจะทำให้แรงดันพังทลายของไดโอดอะวาแลนซ์ลดลง

การประยุกต์ใช้ไดโอดอะวาแลนซ์

• ไดโอดอะวาแลนซ์สามารถใช้เป็นเครื่องกำเนิดสัญญาณรบกวนสีขาวได้
• ไดโอดอะวาแลนซ์ใช้ในการป้องกันวงจร