Пробой электронно-дырочного перехода

В реальном p-n переходе, когда обратное напряжение достигает некоторого критического значения, ток через переход резко возрастает, начинается пробой перехода (рис. 12, характеристика 2).

Величина напряжения , при котором наступает пробой, зависит от типа p-n перехода и составляет от нескольких вольт до нескольких киловольт.

Пробой может происходить как в объеме, так и на поверхности p-n перехода. Поверхностный пробой возникает в тех областях, где переходный слой выходит на поверхность. Этот вид пробоя обусловлен зарядами на поверхности кристалла. Его можно предотвратить соответствующей технологической обработкой поверхности полупроводника. В объеме полупроводника различают два вида электрического пробоя p-n перехода, обусловленных сильным электрическим полем, возникающим в р-n переходе, – лавинный и туннельный. В p-n переходе может также возникнуть еще и тепловой пробой, вызванный повышением температуры в переходном слое. В отличие от электрических видов пробоя этот пробой необратим, так как при нем происходят необратимые изменения в структуре p-n перехода.

Пробой p-n перехода в любом случае связан с увеличением числа носителей заряда в переходе, а механизм пробоя и величина пробивного напряжения зависят от типа полупроводника и ширины перехода, которая в свою очередь определяется степенью легирования полупроводника.

В высокоомных полупроводниках формируются широкие p-n переходы. Если ширина перехода больше длины свободного пробега электрона , то в этом случае электроны, двигаясь в поле перехода с напряженностью кВ/см, на длине свободного пробега приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с атомами ионизировать их, то есть разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома. При этом образуется пара носителей электрон-дырка, и процесс повторяется уже с участием новых носителей. Когда исходная пара носителей порождает в среднем больше одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер. Вновь образовавшиеся носители разделяются полем p-n перехода, и дрейфовый ток, протекающий через переход, увеличивается в огромное число раз по сравнению с током первоначальных носителей. Такое явление называется лавинным пробоем p-n перехода.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с ростом температуры. Это происходит потому, что с увеличением температуры увеличивается число столкновений электронов с атомами кристаллической решетки, и средняя длина свободного пробега уменьшается. Для приобретения энергии, достаточной для ударной ионизации при повышенной температуре, носители должны перемещаться в более сильном электрическом поле, и это достигается увеличением обратного напряжения на p-n переходе.

В низкоомных полупроводниках образуются очень узкие переходы, порядка 0,01 – 0,02 мкм. В таких переходах (рис. 14, б) высота потенциального барьера практически в два раза выше, чем в обычных p-n переходах (рис. 14, а), а при обратных напряжениях от 0 до 5 вольт напряженность электрического поля достигает критического значения В/см. Сильное электрическое поле искривляет энергетические зоны в p-n переходе настолько, что энергия электронов, находящихся в валентной зоне р-области становится такой же, как и энергия электронов в зоне проводимости n-области (рис. 14, в).

а

б

в

Рис. 14. Энергетические диаграммы:

а – обычного p-n перехода; б – узкого p-n перехода; в – узкого p-n перехода при E = E_крит

Из квантовой физики известно, что у заряженных частиц, благодаря их волновым свойствам, существует определенная вероятность прохождения сквозь потенциальный барьер без затраты энергии, если с другой стороны барьера имеются такие же свободные энергетические уровни, какие частицы занимали перед барьером. Такое прохождение частиц называется туннельным эффектом. Вероятность туннельного эффекта характеризуется экспонентой , где – высота барьера, – его толщина. Под высотой потенциального барьера понимается ширина запрещенной зоны полупроводника , а под его толщиной – расстояние между противолежащими зонами (проводимости и валентной). В результате туннельного эффекта в p-n переходе появляется огромное число дополнительных носителей заряда, которые разделяются полем перехода, при этом резко увеличивается обратный ток через переход, то есть возникает туннельный пробой.

Напряжение туннельного пробоя уменьшается с ростом температуры. Это происходит потому, что при увеличении температуры уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника, и уровни энергии электронов в зоне проводимости и в валентной зоне выравниваются при меньших обратных напряжениях.