Вольт-амперная характеристика

Видов пробоя

1 – тепловой пробой;

2 – лавинный пробой;

3 – туннельный пробой.

Тепловой пробой(1) вызван тем, что обратный ток I_обр= – I₀ зависит от температуры и возникает в результате разогрева p-n перехода, когда количество теплоты, выделяемой в p-n переходе, становится больше, чем он может отвести(рассеять), т.е. когда U_обр→U_прб;

P_тепл.1= U_прб.1•I _прб.1>Р_доп. – начинается разогрев перехода.

При разогреве p-n перехода происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар и увеличение обратного тока через переход. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению температуры и обратного тока. В результате ток через переход нарастает лавинообразно и наступает разрушение p-n перехода.

Разрушение p-n перехода при U_прб1 (кривая1) завершается в итоге с равной вероятностью: или обрывом между омическими выводами перехода(1'); или коротким замыканием между этими выводами (сварка выводов) (1'').

Лавинный пробой(2) вызывается ударной ионизацией, которая происходит при достаточно высокой напряжённости электрического поля (для Si – 3•10⁷В/м).

Неосновные носители заряда, проходя через p-n переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне p-n перехода ионизируют их. При этом происходит разрыв ковалентных связей и генерация электронно-дырочных пар. Вновь появившиеся пары носителей заряда ускоряются электрическим полем и, в свою очередь, могут порождать новые пары на протяжении всего пути в данной области. Такой процесс обладает кумулятивными свойствами и приводит к лавинообразному размножению зарядов, за счёт чего при U_прб2 происходит аномальный рост обратного тока при небольшом приращении обратного напряжения.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках (слаболегированных), имеющих достаточно большую ширину p-n перехода.

Напряжение лавинного пробоя растёт с увеличением температуры из-за сокращения длины свободного пробега носителей заряда (повышение температуры уменьшает лавинное размножение носителей заряда).

Рост обратного тока I_обр определяется по эмпирической формуле:

;

где ∝ - величина, определяемая экспериментально и зависящая от степени легирования p- и n- областей.

При U_обр = U_прб ток I_обр обращается в бесконечность, поэтому на практике необходимо его ограничивать сопротивлением внешних цепей. При |U_прб| > 8В p-n переходы имеют преимущественно лавинный пробой.

Тунельный пробой (Эффект Зенера) возможен в так называемых вырожденных полупроводниках или полуметаллах, когда концентрация основных носителей достигает 10²¹/см³.

В таких полупроводниках уровень Ферми располагается в зоне проводимости или валентной зоне, а ширина p-n перехода достаточно мала.

В этих условиях возможно “просачивание” электронов через потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда. Напряжённость электрического поля внутри перехода оказывается весьма высокой (больше 10⁷В/м), поэтому электроны, в силу своих квантовомеханических свойств, приобретают способность туннелировать через потенциальный барьер без затраты энергии. Напряжение туннельного пробоя снижается с повышением температуры, т.к. рост температуры уменьшает ширину запрещённой зоны. При | U_прб| < 5В p-n переходы имеют туннельный пробой. При 5В < |U_прб| < 8В p-n переходы имеют смешанный пробой.