Пробой р—n- перехода39

Пробой р—n- перехода наступает при повышенных вели­чинах обратного напряжения и характеризуется резким возрастанием обратного тока при незначительном увеличении напряжения⁴⁰ (рис. 2.12). Различают три вида пробоя: тепло­вой, лавинный и туннельный.⁴¹

Рис. 2.12.Вольтамперные характеристики р—n- переходов при пробое

Тепловой пробой обусловлен выделением в переходе тепла при протекании обратного тока.⁴² Если тепло отводится от перехода не полностью, то температура перехода будет не­прерывно повышаться.⁴³ Увеличение температуры вызывает увеличение обратного тока, что в свою очередь вызывает увеличение температуры и т.д.⁴⁴ В результате такого про­цесса обратный ток через переход резко возрастет, наступит тепловой пробой р—n-перехода. Характерной особенностью теплового пробоя является наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2.12, кривые 1).⁴⁵Если обратный ток при тепловом пробое не ограничен внеш­ней цепью, то р—n- переход расплавляется, т.е. тепловойпробой необратим. Очевидно, что напряжение теплового пробояуменьшается с ростом температуры.

Примечание⁴⁶

Лавинный пробой заключается в том, что носители заря­да, попавшие в область объемного заряда перехода, уско­ряются его полем и при напряжениях, превышающих крити­ческое значение, приобретают кинетическую энергию, доста­точную для ударной ионизации атомов полупроводника. Вновь образованные носители, ускоряясь в поле, могут также произвести ионизацию, что приведет к лавинообразному на­растанию обратного тока, т. е. к пробою перехода (рис. 2.12, кривые 2).⁴⁷

Ход вольтамперной характеристики в предпробойной об­ласти и в области лавинного пробоя описывается уравнением

,

где —обратный ток перехода, обусловленный потоком пер­воначальных носителей; М — коэффициент лавинного умно­жения, зависимость которого от обратного напряжения Uописывается полуэмпирической формулой

, (2.24)

где — напряжение лавинного пробоя⁴⁸; n=2—6 и опреде­ляется материалом р- и n-областей⁴⁹.

С повышением температуры за счет увеличения теплового рассеивания сокращается длина свободного пробега носите­лей. Тогда, чтобы на меньшей длине пробега носители успе­ли набрать энергию, достаточную для ионизации атомов, не­обходимо увеличить напряженность электрического поля в переходе. Поэтому с повышением температуры напряжение лавинного пробоя U_Mвозрастает⁵⁰.

Туннельный пробой⁵¹ обусловлен квантовомеханическими свойствами электронов, которые позволяют электронам и дыркам при высоких напряженностях электрического поля туннелировать через достаточно узкий потенциальный барьер перехода⁵². Туннельный пробой характерен для р—n-переходов с высоколегированными р- и n- областями, в которых ширина области объемного заряда мала, а напряженность электри­ческого поля в ней велика даже при относительно малых об­ратных напряжениях на переходе⁵³. Напряжение туннельного пробоя уменьшается с повышением температуры вследствие уменьшения ширины запрещенной зоны⁵⁴.

Тепловой пробой характерен для р—n- переходов на осно­ве полупроводниковых материалов с малой шириной запре­щенной зоны , например для германиевых переходов. В кремниевых переходах обычно наблюдается лавинный или туннельный пробой. Напряжение туннельного пробоя меньше 5—7 В, при лавинном пробое U_M>5—7 В и достигает сотен вольт. Если в режиме пробоя мощность, рассеиваемая пере­ходом, не превышает допустимую, то лавинный и туннельный пробои не влияют на нормальное функционирование перехо­дов после снятия высокого обратного напряжения. При не­благоприятном тепловом режиме переходов лавинный и тун­нельный пробои могут переходить в необратимый, тепловой пробой.⁵⁵