Механизъм на генериране на статично електричество

Обикновено статичното електричество се генерира поради триене или индукция.

Статичното електричество от триене се генерира от движението на електрически заряди, генерирани по време на контакт, триене или разделяне между два обекта. Статичното електричество, оставено от триенето между проводниците, обикновено е относително слабо, поради силната проводимост на проводниците. Генерираните от триенето йони бързо ще се придвижат заедно и ще се неутрализират по време и в края на процеса на триене. След триене на изолатора може да се генерира по-високо електростатично напрежение, но количеството заряд е много малко. Това се определя от физическата структура на самия изолатор. В молекулярната структура на изолатора е трудно за електроните да се движат свободно, освободени от свързването на атомното ядро, така че триенето води само до малко количество молекулярна или атомна йонизация.

Индуктивното статично електричество е електрическо поле, образувано от движението на електрони в обект под действието на електромагнитно поле, когато обектът е в електрическо поле. Индуктивното статично електричество обикновено може да се генерира само върху проводници. Ефектът на пространствените електромагнитни полета върху изолаторите може да бъде пренебрегнат.

Механизъм за електростатичен разряд

Каква е причината, поради която 220V мрежово електричество може да убие хора, но хиляди волта върху хората не могат да ги убият? Напрежението на кондензатора отговаря на следната формула: U=Q/C. Според тази формула, когато капацитетът е малък и количеството заряд е малко, ще се генерира високо напрежение. „Обикновено капацитетът на нашите тела и предмети около нас е много малък. Когато се генерира електрически заряд, малко количество електрически заряд може също да генерира високо напрежение. Поради малкото количество електрически заряд, при разреждане, генерираният ток е много малък, а времето е много кратко. Напрежението не може да се поддържа, а токът пада за изключително кратко време. „Тъй като човешкото тяло не е изолатор, статичните заряди, натрупани в тялото, когато има път на разреждане, ще се сближат. Следователно се усеща, че токът е по-висок и има усещане за токов удар. След генериране на статично електричество в проводници като човешки тела и метални предмети, разрядният ток ще бъде сравнително голям.

За материали с добри изолационни свойства едното е, че количеството генериран електрически заряд е много малко, а другото е, че генерираният електрически заряд е трудно да тече. Въпреки че напрежението е високо, когато някъде има път на разреждане, само зарядът в контактната точка и в малък диапазон наблизо може да тече и да се разреди, докато зарядът в безконтактната точка не може да се разреди. Следователно, дори при напрежение от десетки хиляди волта, енергията на разреждане също е незначителна.

Опасности от статично електричество за електронните компоненти

Статичното електричество може да бъде вредно заLEDs, не само уникален „патент“ на светодиодите, но и често използвани диоди и транзистори, направени от силициеви материали. Дори сгради, дървета и животни могат да бъдат повредени от статично електричество (мълнията е форма на статично електричество и ние няма да я разглеждаме тук).

И така, как статичното електричество уврежда електронните компоненти? Не искам да отивам твърде далеч, просто говоря за полупроводникови устройства, но също така се ограничавам до диоди, транзистори, интегрални схеми и светодиоди.

Щетите, причинени от електричество на полупроводникови компоненти, в крайна сметка включват ток. Под действието на електрически ток устройството се поврежда поради топлина. Ако има ток, трябва да има и напрежение. Въпреки това, полупроводниковите диоди имат PN преходи, които имат диапазон на напрежение, който блокира тока както в права, така и в обратна посока. Предната потенциална бариера е ниска, докато обратната потенциална бариера е много по-висока. Във верига, където съпротивлението е високо, напрежението е концентрирано. Но за светодиодите, когато напрежението се прилага напред към светодиода, когато външното напрежение е по-малко от праговото напрежение на диода (съответстващо на ширината на процепа на лентата на материала), няма ток в посока напред и цялото напрежение се прилага към PN кръстовището. Когато напрежението се прилага към светодиода в обратна посока, когато външното напрежение е по-малко от обратното напрежение на пробив на светодиода, напрежението също се прилага изцяло към PN прехода. По това време няма спад на напрежението нито в дефектната спойка на светодиода, нито в скобата, нито в P зоната, нито в N зоната! Защото няма ток. След като PN преходът се разпадне, външното напрежение се споделя от всички резистори във веригата. Когато съпротивлението е високо, напрежението, поемано от частта, е високо. Що се отнася до светодиодите, естествено е PN преходът да носи по-голямата част от напрежението. Топлинната мощност, генерирана в PN прехода, е спадът на напрежението върху него, умножен по текущата стойност. Ако текущата стойност не е ограничена, прекомерната топлина ще изгори PN прехода, който ще загуби своята функция и ще проникне.

Защо интегралните схеми се страхуват относително от статично електричество? Тъй като площта на всеки компонент в IC е много малка, паразитният капацитет на всеки компонент също е много малък (често функцията на веригата изисква много малък паразитен капацитет). Следователно, малко количество електростатичен заряд ще генерира високо електростатично напрежение и толерансът на мощността на всеки компонент обикновено е много малък, така че електростатичният разряд може лесно да повреди IC. Въпреки това, обикновените дискретни компоненти, като обикновените диоди с малка мощност и транзисторите с малка мощност, не се страхуват много от статично електричество, тъй като тяхната площ на чипа е сравнително голяма и техният паразитен капацитет е сравнително голям и не е лесно да се натрупат високи напрежения върху ги в общи статични настройки. MOS транзисторите с ниска мощност са податливи на електростатично увреждане поради техния тънък оксиден слой на затвора и малък паразитен капацитет. Те обикновено напускат фабриката след късо съединение на трите електрода след опаковането. При употреба често се налага премахване на късия път след приключване на заваряването. Поради голямата площ на чипа на мощните MOS транзистори обикновеното статично електричество няма да ги повреди. Така че ще видите, че трите електрода на силовите MOS транзистори не са защитени от късо съединение (ранните производители все още са ги свързвали на късо, преди да напуснат фабриката).

Светодиодът всъщност има диод и неговата площ е много голяма спрямо всеки компонент в рамките на IC. Следователно паразитният капацитет на светодиодите е относително голям. Следователно статичното електричество в общи ситуации не може да повреди светодиодите.

Електростатичното електричество в общи ситуации, особено върху изолатори, може да има високо напрежение, но количеството на разрядния заряд е изключително малко и продължителността на разрядния ток е много кратка. Напрежението на електростатичния заряд, индуциран върху проводника, може да не е много високо, но разрядният ток може да е голям и често непрекъснат. Това е много вредно за електронните компоненти.

Защо статичното електричество увреждаLED чиповене се срещат често

Да започнем с един експериментален феномен. Метална желязна плоча носи 500V статично електричество. Поставете светодиода върху металната плоча (обърнете внимание на метода на поставяне, за да избегнете следните проблеми). Мислите ли, че светодиодът ще се повреди? Тук, за да се повреди светодиод, той обикновено трябва да се приложи с напрежение, по-голямо от напрежението на пробив, което означава, че и двата електрода на светодиода трябва едновременно да контактуват с металната пластина и да имат напрежение, по-голямо от напрежението на пробив. Тъй като желязната плоча е добър проводник, индуцираното напрежение върху нея е равно и така нареченото 500V напрежение е спрямо земята. Следователно между двата електрода на светодиода няма напрежение и естествено няма да има повреда. Освен ако не свържете единия електрод на светодиод с желязна плоча и свържете другия електрод с проводник (ръка или тел без изолационни ръкавици) към земя или други проводници.

Горният експериментален феномен ни напомня, че когато един светодиод е в електростатично поле, единият електрод трябва да се свърже с електростатичното тяло, а другият електрод трябва да се свърже със земята или други проводници, преди да може да се повреди. При действително производство и приложение, с малкия размер на светодиодите, рядко има шанс подобни неща да се случат, особено в партиди. Възможни са случайни събития. Например, светодиод е върху електростатично тяло и единият електрод контактува с електростатичното тяло, докато другият електрод е просто окачен. По това време някой докосне окачения електрод, което може да го повредиLED светлина.

Горното явление ни казва, че електростатичните проблеми не могат да бъдат пренебрегнати. Електростатичният разряд изисква проводяща верига и няма вреда, ако има статично електричество. Когато се появи само много малко количество изтичане, може да се има предвид проблемът с случайно електростатично увреждане. Ако се появи в големи количества, по-вероятно е проблемът да е замърсяване на чипа или стрес.