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.

Л авинный 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.

Э тот 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.

Выпрямительные плоскостные диоды.

Это большая группа диодов, предназначенных для преобразования (выпрямления) переменного напряжения низкой частоты от 50 Гц до 200 КГц в постоянное напряжение. Их также называют силовыми диодами. Различают силовые диоды – германиевые и кремниевые.

Г ерманиевые плоскостные диоды изготавливаются методом вплавления индия в германий n –типа, а кремниевые вплавлением алюминия, или сплава олова с фосфором, или золота с сурьмой в кремний p- типа. Применяются и диффузионные методы.

В справочной литературе приводятся наихудшие значения параметров для данного типа диода.

Основными параметрами выпрямительных диодов, приводимыми в справочниках, являются:

1. -максимально допустимое обратное постоянное напряжение.

2. -максимально допустимое обратное импульсное напряжение, при скважности не превышающей указанное значение , где и - соответственно длительность и период следования импульсов обратного напряжения любой формы.

3. ,( )-максимально допустимое значение прямого (выпрямленного) тока.

4. -максимально допустимое значение прямого импульсного тока, при заданной скважности импульсов.

5. -максимально возможное значение обратного тока диода, при заданном значении обратного напряжения.

6 . -максимальная частота выпрямления, которая определяется следующим образом:

Измеряется среднее выпрямленное значение напряжения на выходе выпрямителя при частоте генератора 50 Гц. Затем частота повышается до тех пор, пока выходное напряжение не уменьшится до оговоренной заранее величины, -например до от значения при частоте 50 Гц.

Отсчитанное при этом значение частоты принимается за .

7. -рабочий диапазон температур. У современных диодов он лежит в пределах от –60^о до +125^о С. Все параметры диодов приводятся обычно при комнатной температуре .

Плоскостные выпрямительные диоды бывают малой, средней и большой мощности, что соответствует значениям до 300мА, от 300мА до 10А и свыше 10А, а обратные напряжения лежат в пределах от 50В до 1500В. Их вольтамперные характеристики по виду и поведению совпадают с ВАХ реального p-n перехода. Из за большой емкости перехода плоскостные диоды непригодны для выпрямления высокочастотных колебаний (детектирования). Для этой цели разработаны точечные диоды.