4. Виды пробоя в p-n переходе
В зависимости от физических процессов, обуславливающих резкое возрастание обратного тока, различают три основных механизма пробоя p-n-перехода: туннельный, лавинный, тепловой.
Туннельный (зинеровский) пробой, возникает при туннелировании носителей сквозь барьер (см. Туннельный эффект), когда происходит, например, туннельное просачивание электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области полупроводника. Туннелирование электронов происходит в том месте p-n-перехода, в котором в результате его неоднородности возникает наиболее высокая напряженность поля. Напряжение туннельного пробоя p-n-перехода зависит не только от концентрации легирующей примеси и критической напряженности поля, при которой происходит возрастание туннельного тока через p-n-переход, но и от толщины p-n- перехода. С увеличение толщины p-n-перехода вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается, и более вероятным становится лавинный пробой.
При лавинном пробое p-n-перехода на длине свободного пробега в области объемного заряда носитель заряда приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решетки, то есть в его основе лежит ударная ионизация. С ростом напряженности электрического поля интенсивность ударной ионизации сильно увеличивается и процесс размножения свободных носителей заряда (электронов и дырок) приобретает лавинный характер. В результате ток в p-n- переходе неограниченно возрастает до теплового пробоя.
Тепловой пробой, связанный с недостаточностью теплоотвода, как правило, локализуется в отдельных областях, где наблюдается неоднородность структуры p-n-перехода, а, следовательно, и неоднородность протекающего через него обратного тока. Повышение температуры вызывает дальнейшее увеличение обратного тока, что в свою очередь, вызывает увеличение температуры. Тепловой пробой — необратимый процесс, преобладающий в полупроводниках с относительно узкой запрещенной зоной.
В p-n-переходах может также наблюдаться поверхностный пробой. Напряжение поверхностного пробоя определяется величиной заряда, локализованного на поверхности полупроводника в месте выхода p-n-перехода наружу. По своей природе поверхностный пробой может быть туннельным, лавинным или тепловым.
5. ВАХ в p-n переходе, реальная и теоретическая.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:
где IS – ток насыщения (ток дрейфа неосновных носителей), φт=kT/q — тепловой потенциал, U — напряжение на переходе.
Однако приведенное уравнение весьма приблизительно совпадает с реальными вольт-амперными характеристиками, так как не учитывает целого ряда физических процессов, происходящих в полупроводниках. К таким процессам относятся: генерация и рекомбинация носителей в запирающем слое, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей, явления теплового, лавинного и туннельного пробоев.
Процессы генерации и рекомбинации носителей в запирающем слое для некоторых типов полупроводников (кремний) могут оказывать существенное влияние на вид ВАХ. В отсутствие внешнего напряжения между процессами генерации и рекомбинации устанавливается равновесие. При приложении к переходу обратного напряжения дырки и электроны, образующиеся в результате генерации, выводятся полем запирающего слоя. Это приводит к появлению дополнительного тока генерации, совпадающего с обратным током перехода. Величина такого тока существенно зависит от параметров полупроводника и концентрации примесей (при увеличении концентрации примесей ток генерации растет) и может превысить значение тока насыщения, став основной составляющей обратного тока. С увеличением обратного напряжения растет ширина запирающего слоя (пропорционально Uобр, соответственно растет число генерируемых в нем носителей и увеличивается ток генерации. Поэтому на реальной ВАХ при увеличении обратного напряжения наблюдается постепенный рост обратного тока вплоть до начала проявления процессов пробоя. Возрастанию обратного тока способствуют также токи утечки.
Если ток протекающий через переход незначителен, то падением напряжения на сопротивлении нейтральных областей можно пренебречь. Однако при увеличении тока этот процесс оказывает все большее влияние на ВАХ прибора, т.е. его реальная характеристика идет под меньшим углом и вырождается в прямую линию, когда напряжение на запирающем слое становится равным контактной разности потенциалов.
При некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем перехода. Существует три вида пробоев: туннельный, лавинный и тепловой (рис. 1.2-2). Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе. Тепловой пробой определяется перегревом перехода.