Явление пробоя p-n перехода

Для каждого полупроводника или диэлектрика существует некоторая критическая напряжённость электрического поля Eпроб по достижении

которой в нем возникает электрический пробой – резкое возрастание протекающего тока, которое может приводить к необратимому изменению свойств материала.

Si	Eпроб~100 кВ/см
GaAs	Eпроб~400 кВ/см

В p-n переходе всегда существует сильно электрическое поле, величина которого зависит от напряжения смещения. Для резкого перехода

	2 k	V
Emax					2e Na Nd			k V
		V
	X0			0 Na Nd

Если Eпроб=Emax и пренебречь k можно оценить напряжение пробоя. Для асимметрично легированного p+-n перехода (Na>>Nd) получим

V		0 E2
проб			проб
		2eNd

Явление пробоя p-n перехода

Возможные механизмы пробоя:

1. Лавинный пробой p-n перехода. Ударная ионизация.

Носители, ускоряемые сильным электрическим полем, могут набрать энергию, достаточную для рождения электронно-дырочных пар. Те в свою очередь ускоряются и рождают другие электронно- дырочные пары, процесс носит лавинообразный характер.

Кинетическая энергия ионизующей частицы Wпор>Eg

(ширины запрещенной зоны)

- длина свободного пробега носителя

L – расстояние, которое носитель должен пройти без столкновений, чтобы набрать пороговую энергию Wпор L=Wпор/eE

Доля носителей с энергией, превышающей пороговую

	L			Wпор
w ~ exp		~ exp					=100 Å, Wпор~1 эВ
					eE
							Электрическое поле ~105 В/см

Явление пробоя p-n перехода

2. Туннельный пробой p-n перехода. Для этого нужно, чтобы области p- и n- типа проводимости были сильно легированы.

Вероятность туннелирования (квазиклассическое приближение)

x2

D exp 2 k

dx

x1

|k| - модуль мнимого волнового вектора

x1, x2 – точки поворота, где k=0

k

2m* U x E

0

3 2

4 2m

*

Eg

D exp

exp

3

e

Для GaAs 0 около 2,4*107 В/см, больше, чем поле лавинного пробоя (105 В/см).

Нужно, чтобы размер области пространственного заряда был сравним с длиной пробега горячих носителей, тогда лавина не успевает развиться.

Явление пробоя p-n перехода

3. Тепловой пробой p-n перехода.

Выделение тепла вызывает нагрев полупроводниковых приборов, при которых обратные токи p-n переходов возрастают, приводя к еще более сильному выделению тепла. Если при этом нарастание выделяющейся мощности превысит возможности отвода тепла от прибора, то разогрев прибора может стать неуправляемым и привести к его разрушению.

Тепловой пробой оказывается особенно существенным для p-n переходов, изготовленных из полупроводников с не очень широкой запрещенной зоной (например, Ge) так как для них характерны большие обратные токи.

Туннельные диоды

Есаки в1958г. изучал сильно легированные p-n переходы, обнаружил вольт-амперную характеристику с падающим участком в прямой ветки.

Ge,

p-n переход Nd=2*1019 см-3

Na=5*1019 см-3

T=300 K Nc=1,04*1019 см-3

Nv=6,0*1018 см-3n=34 мэВp=124 мэВ q k=0,818 эВ W=100 Å

Энергетические диаграммы туннельного диода при нулевом (а), прямом (б, в) и обратном смещении. Справа на ВАХ показаны положения точек, которым соответствуют диаграммы

Туннельные диоды

Есаки предположил, что вклад электронов с энергией E в туннельные токи из зоны проводимости в валентную зону и обратно пропорциональны числу заполненных состояний с энергией E в одной из зон, числу свободных

состояний в другой зоне и вероятности перехода.

Ev

Jc v A fc E c E D E 1 fv E v E dE

Ec Ev

Jv c A fv E v E D E 1 fc E c E dE

Ec

fc, fv – функции распределения для электронов в зоне проводимости и

валентной зоне;

c, v – плотности состояний в соответствующих зонах;

D – прозрачность барьера

Ev

J Jc v Jv c A fc E fv E c E D E v E dE

Ec

Расчёт по этой формуле дал качественное согласие с экспериментом.

Гетеропереходы и сверхрешётки

Гетеропереход – контакт, образованный двумя различными полупроводниками.

Возможность использовать свойства гетеропереходов для повышения эффективности инжекции эмиттеров биполярных транзисторов – Шокли (1948г.) Исследования гетеропереходов - Ж.И. Алфёров, Г. Кремер, Дж. Килби , Нобелевская премия по физике, 2000г.

Модель формирования энергетической диаграммы гетероперехода развита Андерсоном в 1960г. на основании идей Мотта.

Предполагается, что на границе из двух полупроводников нет дипольного слоя. Уровень Evac непрерывен на границе.

В состоянии равновесия из требования единства уровня Ферми следует, что как в обычном p-n переходе, в гетеропереходе возникают электрическое поле и потенциальный барьер.

	Параметры, характеризующие полупроводник:		Материал	, эВ	Eg , эВ
	Eg	- ширина запрещённой зоны
			Ge	4,13	0,66
		- электронное сродство	GaAs	4,07	1,42

- работа выхода

Гетеропереходы и сверхрешётки

Энергетическая диаграмма двух полупроводников до (а) и после (б) соприкосновения

Изменение энергии уровня вакуума характеризуется контактной разностью потенциалов

q k 1 2 F2 F1

Из-за различия электронного сродства на границе возникает дополнительный разрыв в энергии края зоны проводимости

Ec 2 1

Соответственно разрыв края валентной зоны

Ev Eg 2 Eg1 2 1

Гетеропереходы и сверхрешётки

Если в обоих полупроводниках тип проводимости одинаков – гетеропереход изотипный, тип проводимости различен - анизотипный

Идеализированные энергетические диаграммы гетеропереходов Ge-GaAs: а –изотипный n-n переход; б,в – анизотипные p-n- и n-p-гетеропереходы

Высота барьеров для электронов и дырок различна.

Сдвиг края зоны проводимости		exp Ec	kBT
увеличивает ток инжекции электронов	в			раз
Сдвиг края валентной зоны вниз		exp Ev	kBT
уменьшает ток инжекции дырок	в			раз
Отношение токов инжекции электронов и дырок		exp Ev	kBT
возрастает в				раз

Квантовые ямы и сверхрешётки

В очень тонких слоях полупроводника (20-100 Å) спектр носителей становится дискретным. Если вырастить перемежающиеся слои узкозонного и широкозонного полупроводника, получим квазидвумерную структуру

Энергетическая диаграмма одиночной квантовой ямы (а) и сверхрешётки (б)

En kx ,ky Ec	2	n		2	2 kx2 ky2
		d
	2m*				2m*
	n	1			n

d1 – ширина квантовой ямы,

kx, ky – компоненты волнового вектора в плоскости слоя