Mechanismus generování statické elektřiny

Obvykle se statická elektřina vytváří v důsledku tření nebo indukce.

Třecí statická elektřina je generována pohybem elektrických nábojů generovaných během kontaktu, tření nebo oddělení mezi dvěma předměty. Statická elektřina zanechaná třením mezi vodiči je obvykle relativně slabá kvůli silné vodivosti vodičů. Ionty generované třením se budou rychle pohybovat společně a neutralizovat během a na konci procesu tření. Po tření izolátoru se může generovat vyšší elektrostatické napětí, ale množství náboje je velmi malé. To je dáno fyzickou strukturou samotného izolantu. V molekulární struktuře izolantu je pro elektrony obtížné volně se pohybovat bez vazby atomového jádra, takže tření vede pouze k malému množství molekulární nebo atomové ionizace.

Indukční statická elektřina je elektrické pole vytvořené pohybem elektronů v objektu působením elektromagnetického pole, když je objekt v elektrickém poli. Indukční statická elektřina může být obecně generována pouze na vodičích. Vliv prostorových elektromagnetických polí na izolanty lze ignorovat.

Mechanismus elektrostatického výboje

Jaký je důvod, proč elektřina ze sítě 220 V může zabít lidi, ale tisíce voltů na lidech je zabít nemohou? Napětí na kondenzátoru odpovídá následujícímu vzorci: U=Q/C. Podle tohoto vzorce, když je kapacita malá a množství náboje malé, bude generováno vysoké napětí. „Kapacita našich těl a předmětů kolem nás je obvykle velmi malá. Když se generuje elektrický náboj, malé množství elektrického náboje může také generovat vysoké napětí.“. Vzhledem k malému množství elektrického náboje je při vybíjení generovaný proud velmi malý a doba je velmi krátká. Napětí nelze udržet a proud během extrémně krátké doby klesne. „Vzhledem k tomu, že lidské tělo není izolant, statické náboje nahromaděné v celém těle, když existuje cesta výboje, se sblíží. Proto se zdá, že proud je vyšší a existuje pocit úrazu elektrickým proudem. Po vytvoření statické elektřiny ve vodičích, jako jsou lidská těla a kovové předměty, bude vybíjecí proud relativně velký.

U materiálů s dobrými izolačními vlastnostmi je jedním z nich, že množství generovaného elektrického náboje je velmi malé, a druhým je, že generovaný elektrický náboj obtížně proudí. Ačkoli je napětí vysoké, když někde existuje výbojová cesta, může proudit a vybíjet pouze náboj v kontaktním bodě a v malém rozsahu poblíž, zatímco náboj v nekontaktním bodě se nemůže vybít. Proto i při napětí v řádu desítek tisíc voltů je také energie výboje zanedbatelná.

Nebezpečí statické elektřiny pro elektronické součástky

Statická elektřina může být škodliváLEDs, nejen unikátní „patent“ LED, ale také běžně používané diody a tranzistory vyrobené z křemíkových materiálů. Dokonce i budovy, stromy a zvířata mohou být poškozeny statickou elektřinou (blesk je forma statické elektřiny a nebudeme ji zde uvažovat).

Jak tedy statická elektřina poškozuje elektronické součástky? Nechci zacházet příliš daleko, jen mluvím o polovodičových součástkách, ale omezuji se také na diody, tranzistory, integrované obvody a LED.

Škody způsobené elektřinou na polovodičových součástkách nakonec zahrnují proud. Působením elektrického proudu dochází k poškození zařízení vlivem tepla. Pokud je tam proud, musí tam být napětí. Polovodičové diody však mají PN přechody, které mají rozsah napětí, který blokuje proud v propustném i zpětném směru. Dopředná potenciální bariéra je nízká, zatímco zpětná potenciální bariéra je mnohem vyšší. V obvodu, kde je odpor vysoký, je napětí koncentrováno. Ale u LED, když je napětí přivedeno dopředu na LED, když je vnější napětí nižší než prahové napětí diody (odpovídající šířce šířky pásma materiálu), neexistuje žádný dopředný proud a napětí je přivedeno na PN přechod. Když je napětí přivedeno na LED obráceně, když je vnější napětí menší než zpětné průrazné napětí LED, je napětí také zcela přivedeno na PN přechod. V tomto okamžiku nedochází k poklesu napětí ani ve vadném pájeném spoji LED, držáku, oblasti P ani oblasti N! Protože tam není proud. Po přerušení PN přechodu je vnější napětí sdíleno všemi rezistory v obvodu. Kde je odpor vysoký, napětí nesené součástí je vysoké. Co se týče LED, je přirozené, že většinu napětí nese PN přechod. Tepelný výkon generovaný na přechodu PN je úbytek napětí na tomto přechodu vynásobený hodnotou proudu. Pokud není proudová hodnota omezena, nadměrným teplem dojde k vypálení PN přechodu, který ztratí svou funkci a pronikne.

Proč se integrované obvody relativně bojí statické elektřiny? Protože plocha každé součástky v IC je velmi malá, parazitní kapacita každé součástky je také velmi malá (funkce obvodu často vyžaduje velmi malou parazitní kapacitu). Proto malé množství elektrostatického náboje vygeneruje vysoké elektrostatické napětí a tolerance napájení každé součásti je obvykle velmi malá, takže elektrostatický výboj může snadno poškodit IC. Běžné diskrétní součástky, jako jsou obyčejné malé výkonové diody a malé výkonové tranzistory, se však statické elektřiny příliš nebojí, protože plocha jejich čipu je poměrně velká a jejich parazitní kapacita poměrně velká a není snadné akumulovat na nich vysoká napětí. v obecném statickém nastavení. Nízkovýkonové MOS tranzistory jsou náchylné k elektrostatickému poškození díky své tenké vrstvě hradlového oxidu a malé parazitní kapacitě. Obvykle opouštějí továrnu po zkratování tří elektrod po zabalení. Při použití je často nutné odstranit krátkou trasu po dokončení svařování. Vzhledem k velké ploše čipu výkonných MOS tranzistorů je běžná statická elektřina nepoškodí. Uvidíte tedy, že tři elektrody výkonových MOS tranzistorů nejsou chráněny zkratem (první výrobci je ještě před opuštěním továrny zkratovali).

LED dioda má ve skutečnosti diodu a její plocha je vzhledem ke každé součástce v IC velmi velká. Proto je parazitní kapacita LED diod poměrně velká. Proto statická elektřina v obecných situacích nemůže poškodit LED.

Elektrostatická elektřina v obecných situacích, zejména na izolátorech, může mít vysoké napětí, ale množství vybíjecího náboje je extrémně malé a doba trvání vybíjecího proudu je velmi krátká. Napětí elektrostatického náboje indukovaného na vodiči nemusí být příliš vysoké, ale vybíjecí proud může být velký a často kontinuální. To je velmi škodlivé pro elektronické součástky.

Proč poškozuje statická elektřinaLED čipyse často nevyskytují

Začněme experimentálním jevem. Kovová železná deska nese statickou elektřinu 500V. Umístěte LED na kovovou desku (věnujte pozornost způsobu umístění, abyste předešli následujícím problémům). Myslíte, že bude LED poškozena? Zde, aby se LED poškodila, měla by být obvykle aplikována s napětím vyšším, než je její průrazné napětí, což znamená, že obě elektrody LED by se měly současně dotýkat kovové desky a mít napětí vyšší než průrazné napětí. Protože je železná deska dobrým vodičem, indukované napětí na ní je stejné a takzvané napětí 500 V je vzhledem k zemi. Mezi oběma elektrodami LED tedy není žádné napětí a přirozeně nedojde k žádnému poškození. Pokud se nedotknete jedné elektrody LED železnou deskou a druhou elektrodu nepřipojíte vodičem (rukou nebo drátem bez izolačních rukavic) k zemi nebo jiným vodičům.

Výše uvedený experimentální jev nám připomíná, že když je LED v elektrostatickém poli, jedna elektroda se musí dostat do kontaktu s elektrostatickým tělem a druhá elektroda se musí dostat do kontaktu se zemí nebo jinými vodiči, než může dojít k jejímu poškození. Ve skutečné výrobě a použití, s malou velikostí LED, je zřídkakdy šance, že se takové věci stanou, zejména v dávkách. Náhodné události jsou možné. Například LED je na elektrostatickém tělese a jedna elektroda je v kontaktu s elektrostatickým tělesem, zatímco druhá elektroda je pouze zavěšena. V tomto okamžiku se někdo dotkne zavěšené elektrody, což může poškoditLED světlo.

Výše uvedený jev nám říká, že elektrostatické problémy nelze ignorovat. Elektrostatický výboj vyžaduje vodivý obvod, a pokud existuje statická elektřina, nehrozí žádné poškození. Pokud dojde pouze k velmi malému úniku, lze uvažovat o problému náhodného elektrostatického poškození. Pokud se vyskytuje ve velkém množství, je pravděpodobnější, že se jedná o problém kontaminace čipu nebo stresu.