1.5. Пробой  p-n - перехода

 С увеличением обратного напряжения на p-n  - пере­ходе при достижении некоторого значения напряжения v_проб (напряжение пробоя) начинается резкое увеличе­ние тока через диод при незначительном увеличении напряжения. Это явление называется электрическим пробоем p-n - перехода. Подобное увеличение тока обусловлено различными физическими меха­низмами, которые рассматрива­ются ниже.

При данном приложенном напряжении к p-n - переходу напряженность элек­трического поля в области   зависит от толщины  p-n – перехода или от степени легирования p -  и  n – областей полупроводника. для p⁺ - n  - перехода она имеет вид:             

Так как пробой начинается при достижении определенного (для каждых конкретных условий) значения напряженности электрического поля E_проб, то чем больше d (меньше n_d), тем при большем напряже­нии v_проб начинается пробой. очевидно, наибольшее v_проб имеет р—i—n -диод, так как n_d в его базе наи­меньшая, а ширина области объемного заряда d наибольшая.

       Различаются следующие виды электрического пробоя p-n - перехода: лавинный пробой, туннельный пробой, тепловой пробой и поверхностный пробой. О типе пробоя можно судить по картине обратной ветви вольт-амперной характеристики. На рис.5 приведены картинки обратных ветвей вольтамперных характеристик для различных видов пробоев.                                                 

Рис.1.5. вольт-амперная характеристика p-n - перехода при обратном смещении: а — лавинный пробой; б — туннельный пробой, в — теп­ловой пробой, г — влияние поверхностного канала при лавинном пробое.

 а)Лавинный пробой. Если ширина области объемного заряда p-n - перехода d ?l (длины свободного пробега носителей заряда), то неосновные носители заряда в электрическом поле обратносмещенного p-n - перехода могут набрать до­статочную скорость для ионизации решетки с образо­ванием пары электрон — дырка. Образовавшиеся носи­тели заряда сами принимают участие в дальнейшей ио­низации. Процесс нарастания тока носит лавинный ха­рактер. Скорость нарастания тока зависит от коэффи­циентов ударной ионизации электронов и дырок, т. е. от числа электронно-дырочных пар, образуемых носителем заряда на 1 см пути при данной напряженности электрического поля.

Рассмотрим, например, несимметричный p-n - пере­ход, в котором n_n>>p_p. в этом случае обратный ток со­стоит в основном из электронов, переносимых из р- в n-область. При одном акте ионизации электрон образует еще один электрон и дырку, которые также будут уча­ствовать в дальнейшем про­цессе ионизации. Картина, соответствующая этому случаю приведена на рис.1.6.                                     

   Рис.1.6. умножение носителей заряда в обратносмещённом p-n -переходе 

Следует отметить, что при лавинном пробое с увели­чением тока сопротивление p-n - перехода резко умень­шается, однако напряжение на p-n - переходе не может стать ниже значения напряжения пробоя, так как на­пряженность электрического поля при этом станет мень­ше, чем необходимо для ударной ионизации. поэтому возрастание тока при лавинном пробое происходит при незначительном увеличении напряжения на p-n - пере­ходе (рис.1.5,а).

 б)Туннельный пробой. В p-n - переходах, ширина которых меньше длины свободного пробега носителей ( d<l ), но­сители не успевают за время пролета через область объемного заряда набрать энергию, достаточную для ионизации. В таких переходах имеет место туннельный пробой. Сущность туннельного эффекта заключается в том, что частица, имеющая кинетическую энергию, мень­шую высоты потенциального барьера, может, при опреде­ленных условиях, преодолеть его без потери энергии, если с обеих сторон барьера имеют­ся одинаковые энергетические уровни. Как

известно из квантовой механики, вероятность туннельного проса

рис.1.7.туннельный пробой

 чивания носителей    через барьер тем больше, чем уже барьер и меньше его высота.

 Протекание тока при тун­нельном механизме показано на рис.1.7.

 Электроны из валентной зоны p-области туннелируют через потен­циальный барьер p-n - перехода на незанятые уровни в зоне проводимости n-области.

На риС.1.7,а показан случай, когда напряжение таково, что дно зоны проводимости n-области опусти­лось немного ниже валентной зоны p-области. В более общемслучае (рис.1.7,б) ширину потенциального барьера, который необходимо преодолеть электрону из валентной зоны, можно записать (При V>> ) как а=d(E_g/qv) = (E_g/qe), где E=V/d  — напряженность электрического поля в p-n - переходе. Так как ширина об­ласти объемного заряда p-n -перехода уменьшается с ростом концентрации примесей, а Е увеличи­вается (при постоянном V), то туннельный пробой на­блюдается в p-n -переходах с сильно легированными р- и n-областями. картина туннельного Пробоя Приведена на риС.1.5,б.

в)Тепловой пробой. Явление теплового пробоя связано с тем, что при прохождении обратного тока в p-n -пе­реходе выделяется определенное количество тепла. Если не обеспечен отвод этого тепла, область p-n- перехода нагревается до такой степени, что возникает определённое количество электронно-дырочных пар под действием тепловой энергии решётки. Возникновение дополнительных свободных носителей приводит к росту обратного тока. С ростом тока температура p-n -перехода повы­шается, что приведет к увеличению концентрации носи­телей заряда и росту обратного тока. Это еще больше увеличит количество выделяемого тепла, а сле­довательно, концентрация увеличится еще больше и т. д. Такой процесс может привести к тепловому про­бою. Если последова­тельно с диодом нет ограничивающего ток сопротивле­ния, то результатом теплового пробоя может быть раз­рушение p-n -перехода.Условие устойчивой работы диода даётся следующим выражением:I₀=Aехр (-E_g/kT) <kT²/VE_gR_T, где :

 

A – некоторая постоянная

V – приложенное напряжение

R_T – тепловое сопротивление диода

Это условие хорошо выполняется для полупроводников с большим значением Е_g (малое I_нас), например, в крем­нии. В германиевых p-n -переходах ток насыщения значительно больше и при высоких температурах знак неравенства может измениться, т. е. произойдет тепловой пробой. Вследствие положительной обратной связи между увеличением температуры и обратного тока вольт-ам­перная характеристика при тепловом пробое имеет участок отрицательного дифференциального сопротив­ления (рис.1.5,в), т. е. с ростом тока напряжение на p-n -переходе уменьшается.Так как обратные токи p-n -переходов достаточно малы, то тепловой пробой обычно не наблюдается. В большинстве случаев он является следствием лавин­ного или туннельного пробоев, которые приводят к рез­кому увеличению обратного тока, а, следовательно, к по­вышению температуры p-n –перехода.

г)Влияние состояния поверхности на обратный ток и пробой p-n -перехода. Вследствие различных дефектов на поверхности полупроводника там всегда имеются энерге­тические уровни, на которые захватываются носители заря­да. Поэтому на поверхности всегда существует некоторый заряд.        Наличие этого заряда приводит к уменьшению сопротивления движению неосновных носителей в поверхностной области p-n – перехода, т.е. в поверхностной области течёт больше тока по сравнению с объёмом. Это Приводит к нагреву этой области и, соответственно к термогенерации дополнительных носителей, в результате ещё больше увеличивает ток в поверхностной области. это в свою очередь может привести к тепловому пробою. В зависимости от типа поверхностного заряда, поверхностный пробой может быть и лавинным или туннельным. Признаком наличия утечки тока по поверхности p-n – перехода является линейный рост обратного тока с ростом обратного напряжения (рис.1.5,г), в то время как у идеального p-n – перехода этот ток не зависит от напряжения.