5.6.2 Туннельный (полевой, зинеровский) пробой pn-перехода

Если p- и n-области сильно легированы, то ширина ОПЗ становится малой. Форма потенциального барьера обусловлена полем pn-перехода близка к треугольной (рис. 5.14), и появляется вероятность для электронов из валентной зоны проникнуть в зону проводимости, туннельным способом. Рассмотрим зонную диаграмму диода с pn-переходом при обратном смещении.

б

Рис. 5.14. Зонная диаграмма диода на базе сильнолегированного pn-перехода при обратном смещении

Для туннельного эффекта характерно то, что электроны после преодоления барьера не изменяют энергии. Чтобы этот эффект имел место, электрическое поле должно быть настолько сильным, чтобы обеспечить такой наклон зон, при котором заполненные электронами уровни валентной зоны оказались напротив незаполненных энергетических уровней разрешенной зоны, а ширина потенциального барьера сравнима с дебройлевской длиной волны электрона.

Для барьера треугольной формы получено аналитическое выражение для зависимости туннельного тока I_тун от напряженности электрического поля Е следующего вида:

(5.55)

За напряженность электрического поля пробоя _пр условно принимают такое значение поля , при котором происходит десятикратное возрастание обратного тока:I_тун = 10·I₀. При этом для pn-переходов из различных полу-проводников величина электрического поля пробоя _пр составляет значения: кремний Si: _пр = 4·10⁵ В/см; германий Ge: _пр = 2·10⁵ В/см.

Зависимость для германиевых и кремниевыхpn-переходов показана на рис. 5.12 штриховыми линиями.

Из рисунка видно, что туннельный пробой в германиевых pn-переходах имеет место при концентрациях примеси, превосходящей 10¹⁷ см^-3, а в кремнии – соответственно 10¹⁸ см^-3.

Напряжение туннельного пробоя сравнительно слабо зависит от температуры. Однако с ростом температуры ширина запрещенной зоны германия и кремния уменьшается, вероятность туннелирования возрастает, и величина критической напряженности поля уменьшается. Поэтому напряжение туннельного пробоя уменьшается.

Поскольку напряжение, при котором возникает лавинный и туннельный пробой достаточно стабильно, этот эффект используется для создания приборов, падение напряжения на которых остается стабильным при изменении тока – стабилитронов.

5.6.3 Тепловой пробой pn-перехода

При увеличении обратного напряжения увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе в виде тепла, поэтому для pn-переходов со сравнительно высокими обратными токами возможен разогрев. Начавшийся разогрев, в свою очередь, приведет к увеличению обратного тока. Таким образом, в pn-переходе возникает положительная обратная связь, ведущая к возникновению тепловой неустойчивости – тепловому пробою.

Часто на ВАХ диодов наблюдается участок отрицательного дифференциального сопротивления (рис.5.16).

Рис. 5.16. ВАХ диодов при пробое

Если не принять специальных мер для ограничения тока, то диод выходит из строя. Предпосылкой для возникновения теплового пробоя служат большие значения обратного тока, поэтому этот тип пробоя легче возникает в приборах, изготовленных на основе материалов с небольшой шириной запрещенной зоны. Так, например, в высоковольтных германиевых диодах он может иметь место уже при комнатных температурах. В диодах на основе Si и GaAs он может иметь место при высоких температурах, когда значения обратных токов становятся большими.