4.4. Лавинный пробой

Лавинный пробой относится к электрическому виду пробоя и проявляется в p-n переходах средней величины, то есть ширина p-n перехода достаточна большая. При увеличении значения обратного напряжения на p-n переходе напряженность электрического поля E = U_ОБР/l_ОБР (В/см) растет. Когда напряженность электрического поля достигает критического значения E_КР = (80120) кВ/см, то создаются условия для ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника непосредственно в p-n переходе быстрыми электронами или дырками, которые получили достаточное ускорение за счет действия напряженности электрического поля p-n перехода. Механизм ударной ионизации нейтральных атомов p-n перехода иллюстрируется на рис.27.

В результате ударной ионизации генерируются новые пары носителей заряда, которые, в свою очередь, ускоряясь под действием напряженности электрического поля, вновь при столкновении с нейтральными атомами полупроводника образуют новые электронно-дырочные пары. Ионизацию нейтральных атомов совершают только те электроны и дырки, которые на длине свободного пробега электрона набирают за счет напряженности электрического поля энергию, достаточную для ионизации. Поэтому ширина p-n перехода должна быть достаточна большая, а именно много больше длины свободного пробега электрона : l_ОБР  .

Рис.27

С ростом U_ОБР увеличивается ширина p-n перехода и напряженность электрического поля в нем, электроны разгоняются сильнее, резко возрастает число ионизаций, совершаемых каждым электроном, и ток p-n перехода лавинообразно растет.

Напряжение лавинного пробоя определяется из соотношения

U_ПРОБ=А_б^В,

где _б - удельное электрическое сопротивление базы диода; А, В - коэффициенты, зависящие от материала и типа электропроводности полупроводника, их значения указаны в таблице .

Материал и тип перехода	А	В
Германиевый переход, база p-типа	52	0,6
Германиевый переход, база n-типа	83	0,6
Кремниевый переход, база p- типа	23	0,75
Кремниевый переход, база n- типа	86	0,65

Так, например, для базы p-n перехода n-типа

,

где е – заряд электрона;

_n – подвижность электронов;

n_n – концентрация электронов - основных носителей заряда полупроводника n-типа.

Чем меньше концентрация примесей в базе p-n перехода, тем выше ее удельное электрическое сопротивление, шире p-n переход, меньше в нем напряженность электрического поля и соответственно более высокое значение напряжения лавинного пробоя. Эмпирические коэффициенты А и В различны не только для p-n переходов из разных материалов, но и для переходов из одного и того же материала с разными типами электропроводности базы (p⁺-n и n⁺-p). Связано это различие в коэффициентах с тем, что подвижность электронов отличается от подвижности дырок в одном и том же материале.

Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с лавинным пробоем представлена на рис.28.

Лавинный пробой характерен для p-n переходов с напряжением пробоя более 7 В.

Зависимость 1 рис.28 соответствует температуре окружающей среды T₁ = +20С. С увеличением температуры окружающей среды лавиннный пробой наступает при большем напряжении (U_ПРОБ2  U_ПРОБ1). Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки полупроводника и уменьшается длина свободного пробега носителей заряда  , а значит, и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в

электрическом поле. Поэтому для получения энергии, необходимой для ударной ионизации нейтральных атомов, требуется большая напряженность электрического поля в p-n переходе, и, следовательно, напряжение лавинного пробоя возрастает.

С другой стороны, при увеличении температуры уменьшается подвижность носителей заряда полупроводника, растет удельное электрическое сопротивление базы p-n перехода, а в соответствии с соотношением

U_ПРОБ  _б

напряжение лавинного пробоя также возрастает.

На рис.28 зависимость 2 изображена для температуры окружающей среды T₂ = +50С. Таким образом, температурный коэффициент напряжения при лавинном пробое имеет положительное значение:

ТКН_ЛАВ = U_ПРОБ/Т  0,

где U_ПРОБ = U_ПРОБ2 – U_ПРОБ1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину Т при фиксированном значении обратного тока.

Рис.28