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 >> l.

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×r_б^В,

где r_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		0,6
Германиевый переход, база n-типа		0,6
Кремниевый переход, база p- типа		0,75
Кремниевый переход, база n- типа		0,65

 

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

,

где е – заряд электрона;

m_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 (½U_ПРОБ2½ > ½U_ПРОБ1½). Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки полупроводника и уменьшается длина свободного пробега носителей заряда l, 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 ~ r_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 = DU_ПРОБ/DТ > 0,

где DU_ПРОБ = U_ПРОБ2 – U_ПРОБ1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину DТ при фиксированном значении обратного тока.

 

Рис.28

Вопросы для самопроверки

 

1. Какой полупроводник называется собственным?

2. Какой полупроводник называется примесным?

3. Что такое энергия (уровень) Ферми?

4. Укажите и поясните расположение уровня Ферми для собственного полупроводника, примесных полупроводников p- и n-типов.

5. Как зависит положение уровня Ферми примесных полупроводников от концентрации примеси и температуры?

6. Как связаны концентрации основных и неосновных носителей заряда в полупроводнике n-типа?

7. Что такое собственная концентрация электронов и дырок и как она зависит от материала полупроводника, температуры?

8. Как зависит концентрация основных и неосновных носителей заряда от степени легирования и температуры?

9. Назовите основные факторы, от которых зависят время жизни и диффузионная длина неравновесных носителей заряда?

10. Объясните механизм образования p-n перехода.

11. Какие электронно-дырочные переходы называют симметричными, а какие несимметричными?

12. Какие электронно-дырочные переходы называют резкими, а какие плавными?

13. Нарисуйте распределение объемных и подвижных зарядов, напряженности электрического поля и потенциала в области несимметричного p-n перехода в равновесном состоянии.

14. В чем заключаются условия равновесия p-n перехода?

15. Что такое контактная разность потенциалов и от чего она зависит?

16. Нарисуйте энергетическую диаграмму несимметричного p-n перехода в равновесном состоянии.

17. Нарисуйте энергетическую диаграмму прямосмещенного p-n перехода.

18. Как зависит ширина p-n перехода от концентрации примеси и от приложенного напряжения?

19. Что такое инжекция носителей заряда?

20. Нарисуйте энергетическую диаграмму обратносмещенного p-n перехода.

21. Что такое экстракция носителей заряда?

22. Как зависит ширина p-n перехода и энергетический барьер от температуры?

23. Запишите выражение для вольтамперной характеристики идеального
p-n перехода.

24. Нарисуйте вольтамперные характеристики германиевого, кремниевого и арсенид-галлиевого переходов и объясните их отличие.

25. Объясните влияние температуры на ход вольтамперной характеристики p-n перехода.

26. Что показывает температурный коэффициент напряжения?

27. Объясните влияние степени легирования на ход вольтамперной характеристики p-n перехода.

28. Какая область p-n перехода называется базой, а какая эмиттером?

29. Как влияет сопротивление базы на ход прямой ветви характеристики p-n перехода?

30. Как зависит величина обратного тока p-n перехода от концентрации примеси и температуры?

31. Объясните зависимость обратного тока в реальных p-n переходах от величины обратного напряжения.

32. Что такое пробой?

33. Назовите основные виды пробоев p-n переходов.

34. Поясните механизм и условия возникновения теплового пробоя.

35. Как влияет температура окружающей среды на напряжение теплового пробоя?

36. Поясните механизм и условия возникновения лавинного пробоя.

37. Поясните механизм и условия возникновения полевого пробоя.

38. Как зависит величина напряжения полевого пробоя от степени легирования областей p-n перехода?

39. Как изменится ход вольтамперной характеристики p-n перехода с лавинным пробоем, если концентрацию примесей в базе уменьшить?

40. Почему с ростом температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается?

41. Почему с ростом температуры напряжение полевого пробоя уменьшается?

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Электронные приборы: Учебник для вузов/В.Н.Дулин, Н.А.Аваев, В.П.Демин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1989. 496 с.

2. Батушев В.А. Электронные приборы: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1980. 383 с.

3. Пасынков В.В., Чиркин А.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1987. 479 с.

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1991. 621 с.

5. Завадский В.А. Компьютерная электроника: Учебник для вузов. Киев: ВЕК, 1996. 368с.

6. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов: Учебное пособие. 2-е изд., испр. и доп. М.:Сов. радио, 1969. 542 с.

7. Епифанов Г.И. Физика твердого тела: Учебное пособие для втузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1977. 288с.

8. Ржевкин К.С. Физические принципы действия полупроводниковых приборов: М.: изд-во МГУ, 1986. 256с.

9. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ.
2-е изд. перераб. и доп. М.:Мир,1984. Кн. 1. 456с.

10. Антипов Б.Л., Сорокин В.С., Терехов В.А. Материалы электронной техники. Задачи и вопросы: Учебное пособие для вузов/ Под ред.
В.А. Терехова. М.: Высш. шк., 1990. 208 с.

11. Жеребцов И.П. Основы электроники: Учебное пособие для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат,1989. 352 с.

 

 

 

Вячеслав Ильич Елфимов

Наталья Степановна Устыленко