Пробой p-n перехода
При большом обратном смещении на p-n переходе, которое создает в нем большое электрическое поле, переход "пробивается" и через него протекает очень большой ток. Существует четыре основных механизма пробоя: тепловой, лавинный, туннельный и поверхностный.
1. Тепловой пробой: пробой, обусловленный тепловой неустойчивостью, определяет электрическую прочность большинства изоляторов при комнатной температуре, а также является основным фактором в полупроводниках с относительно узкой шириной запрещенной зоны, например в германии. В p-n переходе при обратном напряжении протекает обратный ток и, следовательно, выделяется тепло. Увеличение обратного напряжения вызывает повышение температуры перехода. В свою очередь это приводит к возрастанию обратного тока. Влияние температуры на обратную ветвь вольт-амперной характеристики перехода показано на рис. 1
Вследствие теплового нагрева при больших обратных напряжениях на характеристике возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. На этом участке диод выходит из строя, если не принять специальных мер для ограничения тока (например включить последовательное сопротивление). Этот эффект называют тепловой неустойчивостью, а напряжение VU (рис. 1) - напряжением тепловой неустойчивости. В p-n переходах со сравнительно большими токами насыщения, например в германиевых переходах, тепловая неустойчивость проявляется уже при комнатных температурах. Однако при очень низких температурах тепловая неустойчивость становится несущественной по сравнению с другими механизмами пробоя.
2. Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происходит тогда, когда напряженность электрического поля, вызванная обратным напряжением, достаточно велика. Неосновные носители заряда, движущиеся через p-n переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне p-n перехода ионизируют их. В результате появляется пара электрон-дырка. Вновь появившиеся носители заряда ускоряются электрическим полем и в свою очередь могут вызвать ионизацию следующего атома и т.д. Если процесс ударной ионизации идет лавинообразно, то по тому же закону увеличиваются количество носителей заряда и обратный ток. При лавинной ионизации ток в цепи ограничен только внешним сопротивлением.
Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих достаточно большую ширину p-n перехода. Напряжение лавинного пробоя зависит от температуры полупроводника и растет с ее увеличением из-за сокращения длины свободного пробега носителей заряда. При лавинном пробое падение напряжения на p-n переходе остается постоянным.
3. Туннельный пробой чаще всего возникает у полупроводниковых приборов, имеющих узкий переход и малое значение удельного сопротивления, причем напряженность электрического поля должна быть достаточно высокой (более 105 В/см). Туннельный пробой наступает тогда, когда напряженность электрического поля возрастает настолько, что становится возможным туннельный переход электронов из валентной зоны полупроводника с электропроводностью одного типа в зону проводимости полупроводника с электропроводностью другого типа. При напряженности поля 105 В/см энергетические зоны искривляются настолько, что энергия электронов валентной зоны полупроводника p-типа становится такой же, как и энергия свободных электронов зоны проводимости полупроводника n-типа.
В результате перехода электронов "по горизонтали" из области p в область n и возникает туннельный ток. При увеличении температуры напряжение, при котором возникает туннельный пробой, уменьшается.
4. Поверхностный пробой: Явление поверхностного пробоя заключается в следующем. Поверхностный заряд, имеющийся практически всегда на поверхности полупроводника в месте выхода p-n перехода на поверхность может сильно исказить картину поля в переходе. Это в свою очередь повлияет на ширину перехода на поверхности и как следствие может увеличить вероятность пробоя.
Литература
1. Зи С. - Физика полупроводниковых приборов. Книга 1 М: Мир , 1981 г.
2. Гусев В. Г. , Гусев Ю. М. - Электроника М: Высшая школа, 1991 г.
