Mechanizm wytwarzania elektryczności statycznej

Zwykle elektryczność statyczna powstaje w wyniku tarcia lub indukcji.

Tarciowa elektryczność statyczna jest generowana przez ruch ładunków elektrycznych powstających podczas kontaktu, tarcia lub separacji między dwoma obiektami. Elektryczność statyczna powstająca w wyniku tarcia między przewodnikami jest zwykle stosunkowo słaba ze względu na dużą przewodność przewodników. Jony powstałe w wyniku tarcia szybko połączą się i zneutralizują w trakcie i na końcu procesu tarcia. Po tarciu izolatora może powstać wyższe napięcie elektrostatyczne, ale ilość ładunku jest bardzo mała. Zależy to od fizycznej struktury samego izolatora. W strukturze molekularnej izolatora elektronom trudno jest swobodnie poruszać się bez wiązania jądra atomowego, więc tarcie powoduje jedynie niewielką ilość jonizacji molekularnej lub atomowej.

Indukcyjna elektryczność statyczna to pole elektryczne powstające w wyniku ruchu elektronów w obiekcie pod działaniem pola elektromagnetycznego, gdy obiekt znajduje się w polu elektrycznym. Indukcyjna elektryczność statyczna może być generalnie generowana tylko w przewodnikach. Wpływ przestrzennych pól elektromagnetycznych na izolatory można pominąć.

Mechanizm wyładowań elektrostatycznych

Jaki jest powód, dla którego prąd sieciowy 220 V może zabić ludzi, ale tysiące woltów na ludziach nie może ich zabić? Napięcie na kondensatorze spełnia wzór: U=Q/C. Zgodnie z tym wzorem, gdy pojemność jest mała, a ilość ładunku niewielka, zostanie wygenerowane wysokie napięcie. „Zwykle pojemność naszych ciał i otaczających nas obiektów jest bardzo mała. Kiedy generowany jest ładunek elektryczny, niewielka ilość ładunku elektrycznego może również wytworzyć wysokie napięcie.”. Ze względu na niewielką ilość ładunku elektrycznego podczas rozładowywania generowany prąd jest bardzo mały, a czas jest bardzo krótki. Napięcie nie może zostać utrzymane, a prąd spada w niezwykle krótkim czasie. „Ponieważ ciało ludzkie nie jest izolatorem, ładunki statyczne zgromadzone w całym ciele, gdy pojawi się ścieżka wyładowania, zbiegną się. Dlatego wydaje się, że prąd jest większy i istnieje poczucie porażenia prądem.”. Po wygenerowaniu elektryczności statycznej w przewodnikach, takich jak ciała ludzkie i przedmioty metalowe, prąd wyładowania będzie stosunkowo duży.

W przypadku materiałów o dobrych właściwościach izolacyjnych, po pierwsze, ilość generowanego ładunku elektrycznego jest bardzo mała, a po drugie, wygenerowany ładunek elektryczny jest trudny do przepływu. Chociaż napięcie jest wysokie, gdy gdzieś znajduje się ścieżka wyładowania, tylko ładunek w punkcie styku i w niewielkim zasięgu w pobliżu może płynąć i rozładowywać się, natomiast ładunek w punkcie bez kontaktu nie może się rozładować. Dlatego nawet przy napięciu kilkudziesięciu tysięcy woltów energia wyładowania jest również znikoma.

Zagrożenia elektrycznością statyczną dla elementów elektronicznych

Elektryczność statyczna może być szkodliwaPROWADZONYs, to nie tylko unikalny „patent” diod LED, ale także powszechnie stosowane diody i tranzystory wykonane z materiałów krzemowych. Nawet budynki, drzewa i zwierzęta mogą zostać uszkodzone przez elektryczność statyczną (piorun jest formą elektryczności statycznej i nie będziemy się tutaj nad tym zastanawiać).

Jak więc elektryczność statyczna niszczy elementy elektroniczne? Nie chcę posuwać się za daleko, mówię tylko o urządzeniach półprzewodnikowych, ale ograniczam się także do diod, tranzystorów, układów scalonych i diod LED.

Uszkodzenia spowodowane przez prąd elektryczny w elementach półprzewodnikowych ostatecznie dotyczą prądu. Pod wpływem prądu elektrycznego urządzenie ulega uszkodzeniu na skutek ciepła. Jeśli jest prąd, musi być napięcie. Jednakże diody półprzewodnikowe mają złącza PN, które mają zakres napięcia blokujący prąd zarówno w kierunku do przodu, jak i do tyłu. Bariera potencjału do przodu jest niska, podczas gdy bariera potencjału odwrotnego jest znacznie wyższa. W obwodzie o dużej rezystancji napięcie jest skoncentrowane. Ale w przypadku diod LED, gdy napięcie jest przyłożone do diody LED, gdy napięcie zewnętrzne jest mniejsze niż napięcie progowe diody (odpowiadające szerokości pasma wzbronionego materiału), nie ma prądu przewodzenia, a całe napięcie jest przykładane do złącze PN. Kiedy napięcie jest przykładane do diody LED w odwrotnym kierunku, gdy napięcie zewnętrzne jest mniejsze niż napięcie przebicia wstecznego diody LED, napięcie jest również całkowicie przykładane do złącza PN. W tym momencie nie ma spadku napięcia ani w uszkodzonym złączu lutowniczym diody LED, wsporniku, obszarze P ani obszarze N! Bo nie ma prądu. Po uszkodzeniu złącza PN napięcie zewnętrzne jest dzielone przez wszystkie rezystory w obwodzie. Tam, gdzie rezystancja jest wysoka, napięcie przenoszone przez część jest wysokie. W przypadku diod LED naturalnym jest, że większość napięcia przenoszona jest na złącze PN. Moc cieplna generowana na złączu PN to spadek napięcia na nim pomnożony przez wartość prądu. Jeśli wartość prądu nie zostanie ograniczona, nadmierne ciepło spali złącze PN, które utraci swoją funkcję i przeniknie.

Dlaczego układy scalone stosunkowo boją się elektryczności statycznej? Ponieważ powierzchnia każdego elementu układu scalonego jest bardzo mała, pojemność pasożytnicza każdego elementu jest również bardzo mała (często funkcja obwodu wymaga bardzo małej pojemności pasożytniczej). Dlatego niewielka ilość ładunku elektrostatycznego wygeneruje wysokie napięcie elektrostatyczne, a tolerancja mocy każdego elementu jest zwykle bardzo mała, więc wyładowanie elektrostatyczne może łatwo uszkodzić układ scalony. Jednak zwykłe elementy dyskretne, takie jak zwykłe diody małej mocy i tranzystory małej mocy, nie boją się zbytnio elektryczności statycznej, ponieważ ich powierzchnia chipa jest stosunkowo duża, a ich pojemność pasożytnicza jest stosunkowo duża i nie jest łatwo gromadzić wysokie napięcia na je w ogólnych ustawieniach statycznych. Tranzystory MOS małej mocy są podatne na uszkodzenia elektrostatyczne ze względu na cienką warstwę tlenku bramki i małą pojemność pasożytniczą. Zwykle opuszczają fabrykę po zwarciu trzech elektrod po zapakowaniu. W praktyce często konieczne jest usunięcie krótkiej trasy po zakończeniu spawania. Ze względu na dużą powierzchnię chipa tranzystorów MOS dużej mocy, zwykła elektryczność statyczna ich nie uszkodzi. Zobaczysz więc, że trzy elektrody tranzystorów mocy MOS nie są chronione przed zwarciem (pierwsi producenci nadal zwierali je przed opuszczeniem fabryki).

W rzeczywistości dioda LED ma diodę, a jej powierzchnia jest bardzo duża w stosunku do każdego elementu układu scalonego. Dlatego pojemność pasożytnicza diod LED jest stosunkowo duża. Dlatego w ogólnych sytuacjach elektryczność statyczna nie może uszkodzić diod LED.

Elektryczność elektrostatyczna w sytuacjach ogólnych, zwłaszcza na izolatorach, może mieć wysokie napięcie, ale ilość ładunku wyładowczego jest bardzo mała, a czas trwania prądu rozładowania jest bardzo krótki. Napięcie ładunku elektrostatycznego indukowanego w przewodniku może nie być bardzo wysokie, ale prąd rozładowania może być duży i często ciągły. Jest to bardzo szkodliwe dla podzespołów elektronicznych.

Dlaczego elektryczność statyczna szkodziChipy LEDnie często występują

Zacznijmy od zjawiska eksperymentalnego. Metalowa płyta żelazna przenosi elektryczność statyczną o napięciu 500 V. Umieść diodę LED na metalowej płytce (zwróć uwagę na sposób umieszczenia, aby uniknąć następujących problemów). Myślisz, że dioda LED ulegnie uszkodzeniu? Tutaj, aby uszkodzić diodę LED, należy ją zwykle przyłożyć do napięcia większego niż napięcie przebicia, co oznacza, że ​​obie elektrody diody LED powinny jednocześnie stykać się z metalową płytką i mieć napięcie większe niż napięcie przebicia. Ponieważ płyta żelazna jest dobrym przewodnikiem, indukowane na niej napięcie jest równe, a tak zwane napięcie 500 V jest względem ziemi. Dlatego między dwiema elektrodami diody LED nie ma napięcia i naturalnie nie nastąpi uszkodzenie. Chyba że jedną elektrodę diody LED zetkniesz z żelazną płytką, a drugą elektrodę połączysz z przewodnikiem (ręką lub drutem bez rękawic izolacyjnych) z masą lub innymi przewodnikami.

Powyższe zjawisko eksperymentalne przypomina nam, że gdy dioda LED znajduje się w polu elektrostatycznym, jedna elektroda musi stykać się z korpusem elektrostatycznym, a druga elektroda musi stykać się z ziemią lub innymi przewodnikami, zanim będzie mogła ulec uszkodzeniu. W rzeczywistej produkcji i zastosowaniu, przy niewielkich rozmiarach diod LED, rzadko zdarza się szansa, że ​​coś takiego się wydarzy, zwłaszcza w partiach. Możliwe są zdarzenia losowe. Na przykład dioda LED znajduje się na korpusie elektrostatycznym, a jedna elektroda styka się z korpusem elektrostatycznym, podczas gdy druga elektroda jest po prostu zawieszona. W tym momencie ktoś dotknie zawieszonej elektrody, co może spowodować uszkodzenieŚwiatło LED.

Powyższe zjawisko mówi nam, że problemów elektrostatycznych nie można ignorować. Wyładowanie elektrostatyczne wymaga obwodu przewodzącego i nie ma szkody, jeśli występuje elektryczność statyczna. Gdy występuje tylko bardzo mała ilość wycieków, można rozważyć problem przypadkowego uszkodzenia elektrostatycznego. Jeśli występuje w dużych ilościach, jest bardziej prawdopodobne, że jest to problem zanieczyszczenia lub naprężenia wiórów.