2.9 Виды пробоя р-n перехода

Пробоем р-n перехода называют резкое увеличение тока. Различают два основных вида пробоя – электрический и тепловой. В свою очередь электрический пробой делят на лавинный и туннельный.

Лавинный пробой возникает в результате ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника быстрыми электронами. Электроны, двигаясь через р-n переход, ускоряются в нём сильным электрическим полем (Е _р-п (о,8 …1,2) 10⁵ В/см) ,приобретая энергию достаточную для того ,чтобы при соударении с атомами полупроводника ионизировать их, образуя пары электорн-дырка. Вновь образованные электроны , ускоряясь полем, в свою очередь могут также вызвать ионизацию атомов. Происходит лавинообразный процесс размножения носителей, приводящий к резкому увеличению тока через р-n переход . Лавинный пробой характерен для широких р-n переходов, образованных полупроводниками с малой концентрацией примесей, в которых возможна многократная последовательная ионизация атомов решётки.

Туннельный пробой возникает вследствие проявления туннельного эффекта, который заключается в том, что электроны под действием очень сильного электрического поля (порядка 10⁶ В/см) совершают прямой переход из валентной зоны области р в зону проводимости области n без затраты энергии. Туннельный пробой характерен для узких р-n переходов, образованных полупроводниками с большой концентрацией примесей.

Лавинный и туннельный пробои являются управляемыми электрическими пробоями – в режиме этих пробоев можно управлять величиной тока обратным напряжением. Это свойство используется в полупроводниковых приборах, называемых стабилитронами. При значительном увеличении обратного напряжения электрический пробой может перейти в тепловой (рис. 2.12)

Тепловой пробой возникает вследствие перегрева р-n перехода обратным током большой величины, когда количество тепла, выделяемого в переходе, превосходит количество тепла, отдаваемого от него. При этом увеличивается тепловая мощность, выделяющаяся в переходе Р = U_обр I_обр и его температура. В свою очередь увеличение температуры приводит к увеличению термогенерации пар носителей, а следовательно, обратного тока и рассеиваемой мощности. Процесс развивается лавинообразно до возникновения теплового пробоя. Возрастание тока происходит даже при уменьшении падения напряжения на переходе из-за появления большого числа носителей зарядов в нем (резкого уменьшения сопротивления) - участок ЕF на рис. 2.12. Тепловой пробой является необратимым и приводит к выходу из строя р-n перехода.

2.10 Емкость р-n перехода

Электронно-дырочный переход обладает емкостными свойствами. Различают два типа емкостей р-n перехода – барьерную (зарядную) и диффузионную.

Барьерной емкостью называют емкость, образованную разноимёнными объемными зарядами примесных атомов доноров и акцепторов. При изменении приложенного к р-n переходу напряжения, изменяется ширина р-n перехода и его объемный заряд. Изменение величин заряда на переходе при изменении напряжения происходит не мгновенно, а постепенно, что характерно для емкостного эффекта.

.

По своей природе и физическим свойствам эта емкость сходна с емкостью плоского конденсатора, поэтому ее можно определить по следующей формуле (плоского конденсатора).

. (2.9)

Из этой формулы следует, что барьерная емкость зависит от концентрации примесей, толщины и площади р-n перехода, а также величины и полярности приложенного напряжения. Чем выше концентрация примесей, тем меньше ширина р-n перехода и больше барьерная емкость.

При воздействии на р-n переход обратного напряжения (-U) переход расширяется, а барьерная емкость уменьшается. Прямое напряжение (U_пр) сужает р-n переход, что ведет к увеличению С_бар.. Примерный вид зависимости С_бар.от приложенного напряжения имеет вид, приведённый на рис.2.13. Изменение С_бар. от внешнего напряжения используется в специальных полупроводниковых приборах – варикапах и параметрических диодах, которые применяются для генерирования, усиления сигналов, автоматической подстройки, умножения частоты и т.д. В интегральных микросхемах С_бар используется в качестве конденсаторов.

Рис. 2.13

При прямом включении р-n перехода к барьерной емкости добавляется диффузионная С_диф . она характеризует накопление подвижных носителей заряда в р и n областях. Предположим , что р-n переход включен в прямом направлении. Подвижные носители зарядов инжектируют через понизившийся потенциальный барьер, и не успев рекомбинировать, накапливаются, образуя С_диф.

Величина диффузионной емкости может быть определена по следующее формуле:

. (2.20)

Отсюда видно, что С_диф тем больше, чем больше прямой ток через р-n переход и время жизни неосновных носителей (чем больше прямой ток, тем больше число носителей накапливаются по обе стороны от перехода, а чем больше время жизни, тем дольше будут существовать накопленные заряды не рекомбинируя).

Полная емкость р-n перехода определяется как сумма емкостей.

С_П = С_бар + С_диф.

При включении р-n переход в прямом направлении, преобладает С_диф и С_П С_диф, а в обратном направлении – барьерная (С_диф 0, С_П С_бар).