5.5 Диффузионная емкость pn-перехода

При прямом включении pn-перехода носители диффундируют через барьер и накапливаются в соседней области. Количество инжектированного в соседнюю область заряда зависит от величины приложенного к pn-переходу напряжения. Изменение инжектированного заряда при изменении приложенного напряжения может характеризоваться емкостью, которую принято называть диффузионной.

C диф = dQ/dV.

(5.45)

где Q – инжектированный заряд.

,

(5.50)

Диффузионная емкость pn-перехода тем больше, чем больше прямой ток и время жизни неосновных носителей заряда, т.е. от глубины проникновения носителей заряда в соседнюю область.

Полная емкость pn-перехода равна сумме барьерной и диффузионной емкостей. При прямых напряжениях барьерная емкость много меньше диффузионной, а при обратных напряжениях она значительно превышает ее. Соотношения между барьерной и диффузионной емкостью определяют частотные зависимости pn-перехода.

5.6 Пробой pn-перехода

При увеличении напряжения на pn-переходе при достижении некоторого напряжения пробоя V_проб начинается резкое возрастание тока, которое может привести к физическим изменениям структур и выходу pn-перехода из строя. Существует три основных механизма пробоя: лавинный, туннельный и тепловой (Рис. 5.11).

Рис. 5.11. ВАХ обратной ветви pn-перехода в случае лавинного, туннельного и теплового пробоя

5.6.1 Лавинный пробой pn-перехода

Рассмотрим случай однородного электрического поля в полупроводнике. Если двигаясь вдоль силовых линий электрического поля электрон на расстоянии, равном длине свободного пробега l_св, наберет энергию, равную либо большую, чем , то этот электрон может вызвать генерацию еще одной электронно- дырочной пары. Вновь образованные носители, разгоняясь в электрическом поле, принимают участке в дальнейшем образовании электронно-дырочных пар. Процесс нарастания числа носителей со временем носит лавинный характер, поэтому этот тип пробоя и называют лавинным. На рис. 5.12 показана схема, иллюстрирующая лавинный пробой.

Рис. 5.12. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в однородном полупроводнике:

а) распределение электрического поля, доноров и акцепторов и свободных носителей;

б) распределение токов; в) зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение в ОПЗ

Размеры геометрической области полупроводника W, в которой происходит лавинное умножение, должны быть существенно больше длины свободного пробега электрона l_св. Соотношения, определяющие условие лавинного пробоя, будут следующие:

,

(5.51)

Одним из параметров лавинного пробоя является коэффициент лавинного умножения M, определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля, для которого справедливо следующее эмпирическое соотношение Миллера:

(5.52)

где J₀ – ток до умножения (равный сумме тока насыщения и генерационного), n – коэффициент, который зависит от материала и профиля легирования pn-перехода, этот коэффициент может иметь значения от 1 до 6.

Напряжение лавинного пробоя зависит от степени легирования p- и n-областей. Так, например для резкого кремниевого p⁺n-перехода (p⁺- означает сильное легирование p-области) зависимость напряжения пробоя от степени легирования n-области имеет вид:

(5.53)

где E_g – ширина запрещенной зоны в эВ, N – концентрация примеси в слаболегированной области, см^-3. Соответствующая зависимость напряжения пробоя от степени легирования для резкого несимметричного перехода для pn-переходов, изготовленных из разных материалов, показана на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Зависимость напряжения лавинного пробоя от концентрации примеси в низколегированной области для резкого pn-перехода

Напряжение лавинного пробоя кремниевого pn-перехода с линейным распределением примеси (то есть при изменении примеси по линейному закону) определяется формулой:

(5.54)

где а – градиент концентрации примеси, см^-4.

Температурная зависимость напряжения лавинного пробоя определяется уменьшением длины свободного пробега носителей заряда с увеличением температуры. При этом величина напряжения пробоя увеличивается, так как энергию, необходимую для разрыва ковалентных связей носители могут набрать при больших напряжениях.