Điện áp đánh thủng breakdown voltage là gì

Tùy thuộc vào đặc tính điện, vật liệu được phân loại thành chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện. Chất dẫn điện là vật liệu có thể dẫn điện dễ dàng. Ngược lại, các vật liệu không thể dẫn điện được xếp vào loại vật liệu cách điện. Đặc điểm của vật liệu bán dẫn nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Trong khi làm việc với chất cách điện, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy rằng vật liệu cách điện có thể hoạt động như chất dẫn điện khi một lượng điện nhất định được đặt vào nó. Hiện tượng này được đặt tên là breakdown hay đánh thủng, và điện áp tối thiểu mà hiện tượng này xảy ra được gọi là breakdown voltage hay điện áp đánh thủng. Các mức điện áp này khác nhau đối với các vật liệu khác nhau và cũng phụ thuộc vào tính chất vật lý của chúng.

Điện áp đánh thủng là gì

Điện áp đánh thủng hay breakdown voltage là đặc tính của vật liệu cách điện. Đó là mức điện áp tối thiểu để chất cách điện bắt đầu hoạt động như một chất dẫn điện. Nó còn được gọi là cường độ điện môi (dielectric strength) của vật liệu.

Sự dẫn điện chỉ thực hiện được khi trong vật liệu có các điện tích di động. Chất cách điện không thể dẫn điện vì không có điện tích di động tự do trong chúng. Khi một hiệu điện thế được đặt trên chất cách điện, nó không dẫn điện.

Khi giá trị của hiệu điện thế tăng lên vượt quá mức nhất định, một số cặp điện tử bị phá vỡ và quá trình ion hóa bắt đầu trong vật liệu. Điều này dẫn đến sự hình thành các electron di động tự do. Các electron di động này bắt đầu di chuyển từ đầu dương sang đầu âm gây ra dòng điện.

Do đó, chất cách điện bắt đầu dẫn điện và hoạt động như một chất dẫn điện. Quá trình này được gọi là sự đánh thủng của vật liệu và điện áp tối thiểu mà hiện tượng này bắt đầu được gọi là điện áp đánh thủng của vật liệu. Mức điện áp này thay đổi đối với các loại vật liệu khác nhau tùy thuộc vào thành phần vật liệu, hình dạng, kích thước và chiều dài của vật liệu giữa các tiếp điểm điện. Giá trị điện áp đánh thủng của vật liệu do nhà sản xuất đưa ra thường là giá trị điện áp đánh thủng trung bình.

Điện áp đánh thủng diode

Diode là chất bán dẫn và đặc tính điện của nó nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Diode tiếp giáp PN được tạo thành bằng vật liệu loại P và loại N. Diode tiếp giáp PN chứa một khe vùng (bandgap) thông qua đó sự trao đổi các hạt mang điện tích diễn ra. Khi phân cực thuận được đặt vào, dòng điện chạy theo hướng thuận và diễn ra quá trình dẫn điện. Khi đặt phân cực ngược thì không có sự dẫn truyền nào xảy ra. Nhưng do sự hiện diện của một số ít các hạt mang điện, nên sẽ có dòng điện ngược nhỏ chạy qua diode được gọi là dòng điện rò.

Do dòng điện ngược chiều, chiều rộng của rào cản tiếp giáp tăng lên. Khi điện áp phân cực ngược được đặt vào tăng dần tại một thời điểm nhất định, có thể thấy dòng điện ngược tăng nhanh. Đây được gọi là đánh thủng tiếp giáp. Điện áp ngược được đặt vào tương ứng tại điểm này được gọi là điện áp đánh thủng của diode tiếp giáp PN. Nó còn được gọi là điện áp đánh thủng ngược.

Yếu tố cần thiết để xác định điện áp đánh thủng của diode là nồng độ pha tạp của nó. Vượt quá mức điện áp này làm tăng dòng điện rò của diode theo cấp số nhân. Khi có đánh thủng diode, có thể thấy hiện tượng quá nhiệt. Vì vậy, khi hoạt động với điện áp ngược, tản nhiệt và điện trở bên ngoài sẽ được sử dụng.

Điện áp đánh thủng của Diode Zener

Diode Zener được sử dụng như các khối xây dựng cơ bản trong các mạch điện tử. Nó được sử dụng phổ biến để cung cấp điện áp tham chiếu cho các mạch điện tử. Nó được thiết kế để hoạt động trong các vùng đánh thủng của diode.

Diode Zener là diode có thể làm việc ở các vùng phân cực ngược. Tại đây đánh thủng xảy ra do hiệu ứng Zener. Trong hiệu ứng Zener khi điện trường của diode P-N phân cực ngược tăng lên, diễn ra sự đào hầm (tunneling) của các electron hóa trị vào vùng dẫn. Điều này dẫn đến sự gia tăng các hạt mang điện thiểu số do đó làm tăng dòng điện ngược. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Zener và điện áp tối thiểu mà hiện tượng này bắt đầu diễn ra được gọi là điện áp đánh thủng Zener.

Đánh thủng kiểu thác Avalanche breakdown

Trong trường hợp diode pha tạp nhẹ, sự cố xảy ra do hiệu ứng kiểu thác Avalanche. Trong hiệu ứng Avalanche, khi diode được vận hành theo phân cực ngược do điện trường tăng lên, các hạt mang điện thiểu số thu được động năng và va chạm với các cặp lỗ trống điện tử, do đó phá vỡ liên kết cộng hóa trị của chúng và tạo ra các hạt mang điện di động mới. Sự gia tăng số lượng hạt mang điện thiểu số này dẫn đến sự gia tăng dòng điện ngược gây ra đánh thủng. Ở đây, điện áp đánh thủng được gọi là điện áp đánh thủng kiểu thác (Avalanche breakdown voltage).