Пробой p-n перехода. Виды пробоя переходов

Под пробоем p-n перехода обычно понимают резкое увеличение обратного тока I_обр при увеличении обратного напряжения U_обр до некоторого значения U_проб, называемого напряжением пробоя.

В зависимости от процессов, имеющих при этом место, пробой перехода может быть обратимым или необратимым.

Обратимым называют такой пробой перехода, когда после устранения причины его вызвавшей, т.е. уменьшения обратного напряжения, происходит резкое уменьшение обратного тока до прежнего значения. При этом не происходит никаких изменений в кристаллической структуре материалов, образующих p-n переход. Обратимый пробой может повторяться сколь угодно раз в процессе эксплуатации прибора.

Необратимым считается пробой приводящий к разрушению кристаллической структуры перехода, когда после уменьшения обратного напряжения обратный ток остаётся большим, при этом свойства перехода не восстанавливаются, прибор приходит в негодность.

Различают три основных механизма пробоя: туннельный (зенеровский или полевой), лавинный и тепловой.

Туннельный пробой.

Сущность туннельного эффекта состоит в том, что при большой напряжённости поля, когда энергетические зоны соседних областей занимают положение показанное на рисунке, электроны валентной зоны p-области могут без изменения своей энергии переходить на валентные уровни n-области. Туннельный пробой обычно начинается при напряжённости поля 2·10⁷ В/м для германия и 2·10⁸ для кремния.

Такая высокая напряжённость поля характерна для узких переходов, т.е. для полупроводников с высокой степенью легирования.

Туннельный пробой носит обратимый характер и широко используется для создания полупроводниковых приборов основанных на этом эффекте.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой развивается в p-n переходах образованных слаболегированными полупроводниками, когда ширина перехода достаточно велика. При лавинном пробое носители в p-n переходе разгоняясь до больших скоростей приобретают высокую энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристаллической решётки. Высвободившиеся при этом электроны, также приобретая большие энергии, ионизируют всё большее число атомов в переходе. При некотором значении напряжения этот процесс переходит в лавинообразный. Происходит резкое увеличение обратного тока – пробой перехода. Также как и туннельный лавинный пробой носит обратимый характер и также используется для создания различных п/п приборов.

Тепловой пробой.

Этот вид пробоя p-n перехода наступает в том случае, если количество тепла, выделяющегося в переходе в единицу времени, пропорциональное мощности рассеиваемой на переходе, становится больше количества тепла отводимого от p-n перехода в единицу времени. В этом случае температура перехода растёт, что приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда, а следовательно к увеличению обратного тока и ещё большему разогреву перехода. Температура и ток лавинно нарастают, причем при повышенной температуре большие значения тока могут иметь место при меньших напряжениях на переходе, чем то напряжение при котором началось резкое увеличение тока, т.е. напряжение пробоя.

P_рас = U_обр · I_обр P_отв = (Т_пер – T_окр) / R_T, где P_рас – мощность рассеиваемая на переходе, P_отв – мощность отводимая от перехода, Т_пер – температура p-n перехода, T_окр- температура окружающей среды, R_T- тепловое сопротивление.

Германиевым переходам более присущ тепловой пробой из-за свойственного им большого обратного тока, т.е. в таких приборах тепловой пробой наступает при меньших значениях обратного напряжения, чем туннельный или лавинный пробой. Для кремниевых приборов характерным является туннельный или лавинный пробой, в зависимости от степени легирования. Тепловой пробой в кремниевых приборах обычно развивается в результате разогрева перехода при туннельном или лавинном пробое, в условиях недостаточного теплоотвода.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод представляет собой двухэлектродный прибор, основу которого составляет обычно несимметричный p-n переход. В зависимости от сочетания материалов, применяемых при изготовлении перехода, количества и качества вводимых примесей, а также конфигурации и технологии изготовления полупроводниковые диоды имеют разнообразные характеристики и параметры, определяющие их назначение и область применения.