Механізм генерації статичної електрики

Зазвичай статична електрика виникає внаслідок тертя або індукції.

Статична електрика тертя утворюється внаслідок руху електричних зарядів, що утворюються під час контакту, тертя або роз’єднання двох об’єктів. Статична електрика, що залишається внаслідок тертя між провідниками, зазвичай відносно слабка через високу провідність провідників. Іони, що утворюються під час тертя, швидко рухатимуться разом і нейтралізуватимуться під час і в кінці процесу тертя. Після тертя ізолятора може утворюватися більш висока електростатична напруга, але кількість заряду дуже мала. Це визначається фізичною структурою самого ізолятора. У молекулярній структурі ізолятора електронам важко вільно рухатися, звільнившись від зв’язку атомного ядра, тому тертя призводить лише до невеликої кількості молекулярної або атомної іонізації.

Індуктивна статична електрика - це електричне поле, утворене рухом електронів в об'єкті під дією електромагнітного поля, коли об'єкт знаходиться в електричному полі. Індукційна статична електрика, як правило, може виникати лише на провідниках. Впливом просторових електромагнітних полів на ізолятори можна знехтувати.

Механізм електростатичного розряду

У чому причина того, що електрична мережа 220 В може вбити людей, а тисячі вольт на людей не можуть їх вбити? Напруга на конденсаторі відповідає такій формулі: U=Q/C. Відповідно до цієї формули, коли ємність мала і кількість заряду невелика, буде генеруватися висока напруга. «Зазвичай ємність наших тіл і предметів навколо нас дуже мала. Коли генерується електричний заряд, невелика кількість електричного заряду також може генерувати високу напругу». Через малу кількість електричного заряду при розряді генерований струм дуже малий, а час дуже короткий. Напруга не підтримується, і струм падає за надзвичайно короткий час. «Оскільки людське тіло не є ізолятором, статичні заряди, накопичені в усьому тілі, коли є шлях розряду, будуть сходитися. Тому створюється відчуття, що сила струму більша, і є відчуття ураження електричним струмом». Після генерації статичної електрики в таких провідниках, як людські тіла та металеві предмети, струм розряду буде відносно великим.

Для матеріалів з хорошими ізоляційними властивостями один полягає в тому, що кількість генерованого електричного заряду дуже мала, а інший полягає в тому, що генерований електричний заряд важко перенести. Незважаючи на високу напругу, коли десь є шлях розряду, лише заряд у точці контакту та в межах невеликого діапазону поблизу може протікати та розряджатися, тоді як заряд у неконтактній точці не може розряджатися. Тому навіть при напрузі в десятки тисяч вольт енергія розряду також незначна.

Небезпека статичної електрики для електронних компонентів

Статична електрика може бути шкідливою дляLEDs, не лише унікальний «патент» світлодіодів, а й широко використовувані діоди та транзистори, виготовлені з кремнієвих матеріалів. Навіть будівлі, дерева та тварини можуть бути пошкоджені статичною електрикою (блискавка є формою статичної електрики, і ми не будемо розглядати її тут).

Отже, як статична електрика пошкоджує електронні компоненти? Я не хочу заходити занадто далеко, кажу лише про напівпровідникові пристрої, але також обмежусь діодами, транзисторами, мікросхемами та світлодіодами.

Шкода, спричинена електрикою напівпровідниковим компонентам, зрештою пов’язана зі струмом. Під дією електричного струму пристрій пошкоджується через нагрівання. Якщо є струм, то має бути і напруга. Однак напівпровідникові діоди мають PN-переходи, які мають діапазон напруг, який блокує струм як у прямому, так і у зворотному напрямках. Прямий потенційний бар’єр низький, тоді як зворотний потенційний бар’єр значно вищий. У ланцюзі з високим опором напруга зосереджена. Але для світлодіодів, коли напруга прикладається вперед до світлодіода, коли зовнішня напруга менша за порогову напругу діода (що відповідає ширині забороненої зони матеріалу), прямого струму немає, і вся напруга прикладається до PN перехід. Коли напруга подається на світлодіод у зворотному напрямку, коли зовнішня напруга менша за зворотну напругу пробою світлодіода, напруга також прикладається до PN-переходу повністю. У цей час немає падіння напруги ні в несправному паяному з’єднанні світлодіода, ні в кронштейні, ні в зоні P, ні в зоні N! Бо струму немає. Після руйнування PN-переходу зовнішня напруга розподіляється між усіма резисторами в ланцюзі. Там, де опір високий, напруга, яку витримує частина, висока. Що стосується світлодіодів, природно, що PN-перехід несе більшу частину напруги. Теплова потужність, що генерується на PN-переході, є падінням напруги на ньому, помноженим на значення струму. Якщо значення струму не обмежено, надмірне тепло спалить PN-перехід, який втратить свою функцію та проникне всередину.

Чому мікросхеми відносно бояться статичної електрики? Оскільки площа кожного компонента мікросхеми дуже мала, паразитна ємність кожного компонента також дуже мала (часто функція схеми вимагає дуже малої паразитної ємності). Таким чином, невелика кількість електростатичного заряду створить високу електростатичну напругу, а допуск на потужність кожного компонента зазвичай дуже малий, тому електростатичний розряд може легко пошкодити мікросхему. Однак звичайні дискретні компоненти, такі як звичайні маленькі потужні діоди та маленькі потужні транзистори, не дуже бояться статичної електрики, оскільки їх площа мікросхеми є відносно великою, а їх паразитна ємність відносно великою, і на них нелегко накопичувати високу напругу. їх у загальних статичних налаштуваннях. МОП-транзистори малої потужності схильні до електростатичного пошкодження через тонкий оксидний шар затвора та малу паразитну ємність. Зазвичай вони залишають фабрику після замикання трьох електродів після упаковки. Під час використання часто потрібно видалити короткий шлях після завершення зварювання. Завдяки великій площі мікросхеми потужних МОП-транзисторів звичайна статична електрика не пошкодить їх. Отже, ви побачите, що три електроди силових МОП-транзисторів не захищені від короткого замикання (перші виробники все одно замикали їх накоротко перед тим, як залишити фабрику).

Світлодіод фактично має діод, і його площа дуже велика відносно кожного компонента в IC. Тому паразитна ємність світлодіодів відносно велика. Тому статична електрика в загальних ситуаціях не може пошкодити світлодіоди.

Електростатична електрика в загальних ситуаціях, особливо на ізоляторах, може мати високу напругу, але кількість розрядного заряду надзвичайно мала, а тривалість розрядного струму дуже коротка. Напруга електростатичного заряду, індукованого на провіднику, може бути не дуже високою, але розрядний струм може бути великим і часто безперервним. Це дуже шкідливо для електронних компонентів.

Чому статична електрика шкодитьСвітлодіодні чіпитрапляються не часто

Почнемо з експериментального явища. Металева залізна пластина несе статичну електрику 500 В. Розмістіть світлодіод на металевій пластині (зверніть увагу на спосіб розміщення, щоб уникнути наступних проблем). Як ви думаєте, світлодіод буде пошкоджено? Тут, щоб пошкодити світлодіод, його зазвичай слід прикладати з напругою, більшою за напругу пробою, що означає, що обидва електроди світлодіода повинні одночасно контактувати з металевою пластиною та мати напругу, більшу за напругу пробою. Оскільки залізна пластина є хорошим провідником, індукована напруга на ній однакова, і так звана напруга 500 В відносно землі. Таким чином, між двома електродами світлодіода немає напруги, і, природно, не буде пошкодження. За винятком випадків, коли ви торкаєтеся одного електрода світлодіода залізною пластиною, а інший електрод підключаєте провідником (рукою або дротом без ізоляційних рукавичок) до заземлення або інших провідників.

Наведене вище експериментальне явище нагадує нам, що коли світлодіод знаходиться в електростатичному полі, один електрод повинен торкнутися електростатичного тіла, а інший електрод повинен торкнутися землі або інших провідників, перш ніж його можна пошкодити. У реальному виробництві та застосуванні, з невеликим розміром світлодіодів, рідко існує ймовірність того, що такі речі відбуваються, особливо в партіях. Можливі випадкові події. Наприклад, світлодіод знаходиться на електростатичному тілі, і один електрод контактує з електростатичним тілом, а інший електрод просто підвішений. У цей час хтось торкнеться підвішеного електрода, що може пошкодити йогоСвітлодіодне світло.

Наведене вище явище говорить нам про те, що електростатичні проблеми не можна ігнорувати. Електростатичний розряд потребує провідного кола, і статична електрика не зашкодить. Коли відбувається лише дуже невеликий витік, можна розглядати проблему випадкового електростатичного пошкодження. Якщо воно трапляється у великих кількостях, швидше за все, це проблема забруднення чипу або стресу.