กลไกการเกิดไฟฟ้าสถิตย์

โดยปกติแล้ว ไฟฟ้าสถิตจะเกิดขึ้นเนื่องจากการเสียดสีหรือการเหนี่ยวนำ

ไฟฟ้าสถิตแบบเสียดทานเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างการสัมผัส การเสียดสี หรือการแยกตัวระหว่างวัตถุสองชิ้น ไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากแรงเสียดทานระหว่างตัวนำมักจะค่อนข้างอ่อน เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าที่สูงของตัวนำ ไอออนที่เกิดจากแรงเสียดทานจะเคลื่อนที่เข้าหากันอย่างรวดเร็วและทำให้เป็นกลางระหว่างและเมื่อสิ้นสุดกระบวนการเสียดสี หลังจากการเสียดสีของฉนวน อาจเกิดแรงดันไฟฟ้าไฟฟ้าสถิตสูงขึ้น แต่ปริมาณประจุมีน้อยมาก สิ่งนี้ถูกกำหนดโดยโครงสร้างทางกายภาพของฉนวนนั่นเอง ในโครงสร้างโมเลกุลของฉนวน เป็นเรื่องยากสำหรับอิเล็กตรอนที่จะเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระโดยปราศจากการจับกันของนิวเคลียสของอะตอม ดังนั้นแรงเสียดทานจึงส่งผลให้เกิดไอออนไนซ์ของโมเลกุลหรืออะตอมเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

ไฟฟ้าสถิตแบบเหนี่ยวนำคือสนามไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในวัตถุภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อวัตถุอยู่ในสนามไฟฟ้า โดยทั่วไปแล้วไฟฟ้าสถิตแบบเหนี่ยวนำสามารถเกิดขึ้นได้บนตัวนำเท่านั้น สามารถละเว้นผลกระทบของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงพื้นที่ต่อฉนวนได้

กลไกการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต

อะไรคือเหตุผลว่าทำไมไฟฟ้าหลัก 220V ถึงฆ่าคนได้ แต่ไฟหลายพันโวลต์ไม่สามารถฆ่าคนได้? แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวเก็บประจุเป็นไปตามสูตรต่อไปนี้: U=Q/C ตามสูตรนี้ เมื่อความจุไฟฟ้าน้อยและปริมาณประจุน้อย ก็จะเกิดไฟฟ้าแรงสูง “โดยปกติความจุของร่างกายและวัตถุรอบตัวเราจะน้อยมาก เมื่อมีการสร้างประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยก็สามารถสร้างไฟฟ้าแรงสูงได้เช่นกัน” เนื่องจากประจุไฟฟ้ามีจำนวนน้อย เมื่อทำการคายประจุ กระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจึงมีน้อยมาก และเวลาก็สั้นมาก ไม่สามารถรักษาแรงดันไฟฟ้าได้ และกระแสไฟฟ้าจะลดลงในเวลาอันสั้นมาก “เนื่องจากร่างกายมนุษย์ไม่ใช่ฉนวน ประจุไฟฟ้าสถิตที่สะสมทั่วร่างกายเมื่อมีทางระบายก็จะมาบรรจบกัน ดังนั้นจึงรู้สึกเหมือนกระแสไฟสูงขึ้นและมีความรู้สึกไฟฟ้าช็อต” หลังจากเกิดไฟฟ้าสถิตในตัวนำ เช่น ร่างกายมนุษย์และวัตถุที่เป็นโลหะ กระแสคายประจุจะค่อนข้างมาก

สำหรับวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดี สิ่งหนึ่งคือปริมาณประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นมีน้อยมาก และอีกอย่างคือประจุไฟฟ้าที่สร้างขึ้นนั้นไหลได้ยาก แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าจะสูง แต่เมื่อมีเส้นทางคายประจุที่ไหนสักแห่ง เฉพาะประจุที่จุดสัมผัสและภายในช่วงเล็กๆ ใกล้เคียงเท่านั้นที่สามารถไหลและคายประจุได้ ในขณะที่ประจุที่จุดที่ไม่มีการสัมผัสไม่สามารถคายประจุได้ ดังนั้นถึงแม้จะมีแรงดันไฟฟ้าหลายหมื่นโวลต์ แต่พลังงานที่ปล่อยออกมาก็มีน้อยมากเช่นกัน

อันตรายจากไฟฟ้าสถิตต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

ไฟฟ้าสถิตอาจเป็นอันตรายต่อนำs ไม่ใช่แค่ "สิทธิบัตร" อันเป็นเอกลักษณ์ของ LED เท่านั้น แต่ยังรวมถึงไดโอดและทรานซิสเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปที่ทำจากวัสดุซิลิกอนด้วย แม้แต่อาคาร ต้นไม้ และสัตว์ต่างๆ ก็ได้รับความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตได้ (ฟ้าผ่าเป็นรูปแบบหนึ่งของไฟฟ้าสถิต และเราจะไม่พิจารณาในกรณีนี้)

แล้วไฟฟ้าสถิตสร้างความเสียหายให้กับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างไร? ฉันไม่ต้องการที่จะพูดมากเกินไป แค่พูดถึงอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ แต่ยังจำกัดอยู่เพียงไดโอด ทรานซิสเตอร์ ไอซี และไฟ LED

ความเสียหายที่เกิดจากไฟฟ้าต่อส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์เกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าในที่สุด ภายใต้การกระทำของกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์ได้รับความเสียหายเนื่องจากความร้อน ถ้ามีกระแสก็ต้องมีแรงดัน อย่างไรก็ตาม ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์มีจุดเชื่อมต่อ PN ซึ่งมีช่วงแรงดันไฟฟ้าที่บล็อกกระแสทั้งในทิศทางไปข้างหน้าและย้อนกลับ สิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นข้างหน้านั้นต่ำ ในขณะที่สิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นแบบย้อนกลับนั้นสูงกว่ามาก ในวงจรที่มีความต้านทานสูง แรงดันไฟฟ้าจะเข้มข้น แต่สำหรับ LED เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับ LED เมื่อแรงดันไฟฟ้าภายนอกน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ของไดโอด (สอดคล้องกับความกว้างของช่องว่างของแถบวัสดุ) จะไม่มีกระแสไปข้างหน้า และแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดจะถูกนำไปใช้กับ ทางแยก PN เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายให้กับ LED ในแบบย้อนกลับ เมื่อแรงดันไฟฟ้าภายนอกน้อยกว่าแรงดันพังทลายย้อนกลับของ LED แรงดันไฟฟ้าจะถูกจ่ายไปที่จุดเชื่อมต่อ PN ทั้งหมดด้วย ในขณะนี้ ไม่มีแรงดันไฟฟ้าตกในข้อต่อบัดกรีที่ผิดพลาดของ LED, วงเล็บ, พื้นที่ P หรือพื้นที่ N! เพราะไม่มีกระแส.. หลังจากที่จุดเชื่อมต่อ PN พัง แรงดันไฟฟ้าภายนอกจะถูกแบ่งใช้โดยตัวต้านทานทั้งหมดในวงจร ในกรณีที่ความต้านทานสูง แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากชิ้นส่วนก็จะสูง สำหรับ LED ที่เกี่ยวข้อง เป็นเรื่องปกติที่จุดเชื่อมต่อ PN จะรับแรงดันไฟฟ้าส่วนใหญ่ พลังงานความร้อนที่สร้างขึ้นที่จุดเชื่อมต่อ PN คือแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมคูณด้วยค่าปัจจุบัน หากค่าปัจจุบันไม่ถูกจำกัด ความร้อนที่มากเกินไปจะทำให้จุดเชื่อมต่อ PN ไหม้ ซึ่งจะสูญเสียการทำงานและทะลุผ่านได้

ทำไมไอซีถึงค่อนข้างกลัวไฟฟ้าสถิต? เนื่องจากพื้นที่ของแต่ละส่วนประกอบใน IC มีขนาดเล็กมาก ความจุของปรสิตของแต่ละส่วนประกอบจึงมีน้อยมากเช่นกัน (บ่อยครั้งที่ฟังก์ชันวงจรต้องการความจุของปรสิตที่เล็กมาก) ดังนั้นประจุไฟฟ้าสถิตจำนวนเล็กน้อยจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าไฟฟ้าสถิตสูงและความทนทานต่อพลังงานของแต่ละส่วนประกอบมักจะน้อยมาก ดังนั้นการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตอาจทำให้ IC เสียหายได้ง่าย อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบแยกทั่วไป เช่นไดโอดพลังงานขนาดเล็กธรรมดาและทรานซิสเตอร์พลังงานขนาดเล็ก ไม่กลัวไฟฟ้าสถิตมากนัก เนื่องจากพื้นที่ชิปมีขนาดค่อนข้างใหญ่และความจุของปรสิตมีขนาดค่อนข้างใหญ่ และไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะสะสมแรงดันไฟฟ้าสูงบน ในการตั้งค่าคงที่ทั่วไป ทรานซิสเตอร์ MOS พลังงานต่ำมีแนวโน้มที่จะเกิดความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตเนื่องจากมีชั้นเกทออกไซด์บางและความจุของปรสิตต่ำ พวกเขามักจะออกจากโรงงานหลังจากลัดวงจรอิเล็กโทรดทั้งสามหลังบรรจุภัณฑ์ ในการใช้งานมักต้องรื้อเส้นทางสั้นออกหลังการเชื่อมเสร็จ เนื่องจากพื้นที่ชิปขนาดใหญ่ของทรานซิสเตอร์ MOS กำลังสูง ไฟฟ้าสถิตธรรมดาจะไม่สร้างความเสียหายให้กับพวกมัน ดังนั้นคุณจะเห็นว่าอิเล็กโทรดทั้งสามของทรานซิสเตอร์กำลัง MOS ไม่ได้รับการปกป้องจากการลัดวงจร (ผู้ผลิตรายแรกยังคงลัดวงจรก่อนออกจากโรงงาน)

จริงๆ แล้ว LED มีไดโอด และพื้นที่ของ LED ก็ใหญ่มากเมื่อเทียบกับแต่ละส่วนประกอบภายใน IC ดังนั้นความจุของปรสิตของ LED จึงค่อนข้างใหญ่ ดังนั้นไฟฟ้าสถิตในสถานการณ์ทั่วไปจึงไม่ทำให้ LED เสียหายได้

ไฟฟ้าสถิตในสถานการณ์ทั่วไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งบนฉนวน อาจมีไฟฟ้าแรงสูง แต่ปริมาณประจุคายประจุน้อยมาก และระยะเวลาของกระแสคายประจุสั้นมาก แรงดันไฟฟ้าของประจุไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นบนตัวนำอาจไม่สูงมาก แต่กระแสคายประจุอาจมีมากและมักจะต่อเนื่องกัน สิ่งนี้เป็นอันตรายต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก

เหตุใดไฟฟ้าสถิตจึงเกิดความเสียหายชิป LEDไม่ค่อยเกิดขึ้น

เริ่มจากปรากฏการณ์การทดลองกันก่อน แผ่นเหล็กโลหะมีกระแสไฟฟ้าสถิตย์ 500V วาง LED บนแผ่นโลหะ (ให้ความสนใจกับวิธีการจัดวางเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาต่อไปนี้) คุณคิดว่า LED จะเสียหายหรือไม่? ในที่นี้ เพื่อสร้างความเสียหายให้กับ LED โดยปกติควรใช้แรงดันไฟฟ้าที่มากกว่าแรงดันพังทลาย ซึ่งหมายความว่าขั้วไฟฟ้าทั้งสองของ LED ควรสัมผัสกับแผ่นโลหะพร้อมกันและมีแรงดันไฟฟ้ามากกว่าแรงดันพังทลาย เนื่องจากแผ่นเหล็กเป็นตัวนำที่ดี แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่พาดผ่านแผ่นเหล็กจึงเท่ากัน และแรงดันไฟฟ้าที่เรียกว่า 500V จึงสัมพันธ์กับพื้น ดังนั้นจึงไม่มีแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองของ LED และจะไม่เกิดความเสียหายโดยธรรมชาติ เว้นแต่คุณจะสัมผัสอิเล็กโทรดหนึ่งของ LED ด้วยแผ่นเหล็ก และเชื่อมต่ออิเล็กโทรดอีกอันด้วยตัวนำ (มือหรือสายไฟที่ไม่มีถุงมือหุ้มฉนวน) เข้ากับกราวด์หรือตัวนำอื่น

ปรากฏการณ์การทดลองข้างต้นเตือนเราว่าเมื่อ LED อยู่ในสนามไฟฟ้าสถิต อิเล็กโทรดหนึ่งตัวจะต้องสัมผัสกับตัวไฟฟ้าสถิต และอิเล็กโทรดอีกตัวหนึ่งต้องสัมผัสกับพื้นหรือตัวนำอื่น ๆ ก่อนจึงจะเสียหายได้ ในการผลิตและการใช้งานจริง เนื่องจาก LED ขนาดเล็ก จึงไม่ค่อยมีโอกาสที่สิ่งดังกล่าวจะเกิดขึ้น โดยเฉพาะในแบตช์ เหตุการณ์อุบัติเหตุเกิดขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น ไฟ LED อยู่บนตัวไฟฟ้าสถิต และอิเล็กโทรดตัวหนึ่งสัมผัสกับตัวไฟฟ้าสถิต ในขณะที่อิเล็กโทรดอีกตัวหนึ่งเพิ่งแขวนไว้ ในเวลานี้ มีคนสัมผัสอิเล็กโทรดที่แขวนอยู่ ซึ่งอาจทำให้ขั้วไฟฟ้าเสียหายได้ไฟ LED.

ปรากฏการณ์ข้างต้นบอกเราว่าปัญหาไฟฟ้าสถิตไม่สามารถละเลยได้ การคายประจุไฟฟ้าสถิตต้องใช้วงจรนำไฟฟ้า และไม่มีอันตรายใดๆ หากมีไฟฟ้าสถิต เมื่อเกิดการรั่วไหลเพียงเล็กน้อย อาจพิจารณาถึงปัญหาความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตโดยไม่ได้ตั้งใจได้ หากเกิดขึ้นในปริมาณมาก ก็มีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาการปนเปื้อนของเศษหรือความเครียดมากขึ้น