Mehanizem generiranja statične elektrike

Običajno statična elektrika nastane zaradi trenja ali indukcije.

Statična elektrika zaradi trenja nastane zaradi gibanja električnih nabojev, ki nastanejo med stikom, trenjem ali ločevanjem dveh predmetov. Statična elektrika, ki jo pusti trenje med prevodniki, je običajno razmeroma šibka zaradi močne prevodnosti prevodnikov. Ioni, ki nastanejo zaradi trenja, se hitro premikajo skupaj in se nevtralizirajo med in na koncu procesa trenja. Po trenju izolatorja lahko nastane višja elektrostatična napetost, vendar je količina naboja zelo majhna. To določa fizična struktura samega izolatorja. V molekularni strukturi izolatorja se elektroni težko prosto gibljejo brez vezave atomskega jedra, zato trenje povzroči le majhno količino molekularne ali atomske ionizacije.

Induktivna statična elektrika je električno polje, ki nastane zaradi gibanja elektronov v predmetu pod delovanjem elektromagnetnega polja, ko je predmet v električnem polju. Induktivna statična elektrika se na splošno lahko ustvari le na prevodnikih. Vpliv prostorskih elektromagnetnih polj na izolatorje lahko zanemarimo.

Mehanizem elektrostatične razelektritve

Kaj je razlog, zakaj lahko 220 V električna energija ubije ljudi, tisoče voltov na njih pa jih ne more ubiti? Napetost na kondenzatorju ustreza naslednji formuli: U=Q/C. V skladu s to formulo, ko je kapacitivnost majhna in količina naboja majhna, se ustvari visoka napetost. »Običajno je kapacitivnost naših teles in predmetov okoli nas zelo majhna. Ko se ustvari električni naboj, lahko majhna količina električnega naboja ustvari tudi visoko napetost. Zaradi majhne količine električnega naboja je pri praznjenju ustvarjeni tok zelo majhen, čas pa zelo kratek. Napetosti ni mogoče vzdrževati, tok pa pade v izjemno kratkem času. »Ker človeško telo ni izolator, se bodo statični naboji, nakopičeni po telesu, ko obstaja pot razelektritve, združili. Zato se zdi, da je tok višji in obstaja občutek električnega udara.« Ko se statična elektrika ustvari v prevodnikih, kot so človeška telesa in kovinski predmeti, bo razelektritveni tok razmeroma velik.

Pri materialih z dobrimi izolacijskimi lastnostmi je eno to, da je količina ustvarjenega električnega naboja zelo majhna, drugo pa je, da ustvarjeni električni naboj težko teče. Čeprav je napetost visoka, ko je nekje razelektritvena pot, lahko samo naboj na kontaktni točki in v majhnem območju v bližini teče in se izprazni, medtem ko se naboj na brezkontaktni točki ne more izprazniti. Zato je tudi pri napetosti več deset tisoč voltov tudi energija razelektritve zanemarljiva.

Nevarnosti statične elektrike za elektronske komponente

Statična elektrika je lahko škodljiva zaLEDs, ne le edinstven »patent« LED, temveč tudi pogosto uporabljene diode in tranzistorje iz silicijevih materialov. Celo zgradbe, drevesa in živali lahko poškoduje statična elektrika (strela je oblika statične elektrike in je tukaj ne bomo obravnavali).

Torej, kako statična elektrika poškoduje elektronske komponente? Nočem iti predaleč, govorim samo o polprevodniških napravah, vendar sem omejen tudi na diode, tranzistorje, IC in LED.

Škoda, ki jo povzroči elektrika na polprevodniških komponentah, na koncu vključuje tok. Pod delovanjem električnega toka se naprava zaradi toplote poškoduje. Če je tok, mora biti tudi napetost. Vendar pa imajo polprevodniške diode PN spoje, ki imajo napetostno območje, ki blokira tok v smeri naprej in nazaj. Prednja potencialna pregrada je nizka, medtem ko je vzvratna potencialna pregrada veliko višja. V tokokrogu, kjer je upor visok, je napetost koncentrirana. Pri LED-diodah pa, ko je napetost usmerjena naprej na LED, ko je zunanja napetost manjša od mejne napetosti diode (ki ustreza širini pasovne vrzeli materiala), ni neposrednega toka in vsa napetost se uporablja za PN spoj. Ko je napetost na LED v nasprotni smeri, ko je zunanja napetost manjša od povratne prebojne napetosti LED, se napetost v celoti uporabi tudi na PN spoju. V tem času ni padca napetosti niti v okvarjenem spajkalnem spoju LED, nosilcu, območju P ali N območju! Ker ni toka. Po razpadu PN spoja si zunanjo napetost delijo vsi upori v vezju. Kjer je upor visok, je napetost, ki jo nosi del, visoka. Kar zadeva LED, je naravno, da PN spoj nosi večino napetosti. Toplotna moč, ustvarjena na PN spoju, je padec napetosti na njem, pomnožen s trenutno vrednostjo. Če trenutna vrednost ni omejena, bo prekomerna toplota izgorela PN spoj, ki bo izgubil svojo funkcijo in prodrl.

Zakaj se IC razmeroma bojijo statične elektrike? Ker je površina vsake komponente v IC zelo majhna, je tudi parazitska kapacitivnost vsake komponente zelo majhna (pogosto funkcija vezja zahteva zelo majhno parazitno kapacitivnost). Zato bo majhna količina elektrostatičnega naboja ustvarila visoko elektrostatično napetost, toleranca moči vsake komponente pa je običajno zelo majhna, zato lahko elektrostatična razelektritev zlahka poškoduje IC. Vendar pa se običajne diskretne komponente, kot so navadne majhne močnostne diode in majhni močnostni tranzistorji, ne bojijo zelo statične elektrike, ker je njihova površina čipa razmeroma velika in njihova parazitska kapacitivnost razmeroma velika, zato ni enostavno kopičiti visokih napetosti na jih v splošnih statičnih nastavitvah. MOS tranzistorji nizke moči so nagnjeni k elektrostatičnim poškodbam zaradi svoje tanke oksidne plasti vrat in majhne parazitske kapacitivnosti. Običajno zapustijo tovarno po kratkem stiku treh elektrod po pakiranju. Pri uporabi je pogosto treba odstraniti kratko pot po končanem varjenju. Zaradi velike površine čipa močnih tranzistorjev MOS jih običajna statična elektrika ne poškoduje. Tako boste videli, da tri elektrode močnostnih tranzistorjev MOS niso zaščitene pred kratkimi stiki (prvi proizvajalci so jih še vedno kratko stikali, preden so zapustili tovarno).

LED ima dejansko diodo, njena površina pa je zelo velika glede na vsako komponento znotraj IC. Zato je parazitna kapacitivnost LED sorazmerno velika. Zato statična elektrika v splošnih situacijah ne more poškodovati LED.

Elektrostatična elektrika v splošnih situacijah, zlasti na izolatorjih, ima lahko visoko napetost, vendar je količina praznjenja izjemno majhna, trajanje praznjenja pa je zelo kratko. Napetost elektrostatičnega naboja, induciranega na prevodniku, morda ni zelo visoka, toda razelektritveni tok je lahko velik in pogosto neprekinjen. To je zelo škodljivo za elektronske komponente.

Zakaj statična elektrika poškodujeLED čipise ne pojavljajo pogosto

Začnimo z eksperimentalnim pojavom. Kovinska železna plošča prenaša statično elektriko 500 V. Namestite LED na kovinsko ploščo (bodite pozorni na način namestitve, da se izognete naslednjim težavam). Ali menite, da se bo LED poškodovala? Tukaj je treba za poškodbo LED-diode običajno uporabiti napetost, ki je večja od njene prebojne napetosti, kar pomeni, da morata obe elektrodi LED-diode istočasno biti v stiku s kovinsko ploščo in imeti napetost, ki je večja od prebojne napetosti. Ker je železna plošča dober prevodnik, je inducirana napetost na njej enaka in tako imenovana napetost 500 V je relativna glede na zemljo. Zato med obema elektrodama LED ni napetosti in seveda ne bo nobene škode. Razen če se ene elektrode LED dotaknete z železno ploščo in drugo elektrodo povežete z vodnikom (z roko ali žico brez izolacijskih rokavic) na ozemljitev ali druge vodnike.

Zgornji eksperimentalni pojav nas opominja, da mora, ko je LED v elektrostatičnem polju, ena elektroda v stiku z elektrostatičnim telesom, druga elektroda pa v stiku z zemljo ali drugimi vodniki, preden se lahko poškoduje. Pri dejanski proizvodnji in uporabi z majhno velikostjo LED redko obstaja možnost, da se to zgodi, zlasti v serijah. Možni so naključni dogodki. Na primer, LED je na elektrostatičnem telesu in ena elektroda se dotika elektrostatičnega telesa, medtem ko je druga elektroda samo obešena. V tem času se nekdo dotakne viseče elektrode, kar lahko poškodujeLED lučka.

Zgornji pojav nam pove, da elektrostatičnih težav ne moremo prezreti. Za elektrostatično razelektritev je potreben prevodni tokokrog in ni škode, če obstaja statična elektrika. Ko pride le do zelo majhne količine puščanja, lahko pride do težave z naključno elektrostatično poškodbo. Če se pojavlja v velikih količinah, je večja verjetnost, da gre za problem onesnaženosti čipov ali stresa.