1.3. Пробой p-n перехода.

При достаточно большом обратном напряжении на p-n переходе мо­жет произойти резкое увеличение обратного тока. Это явление называют пробоем электронно-дырочного перехода.

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

Т уннельный пробой. Этот пробой объясняется туннельным эффектом, сущность которого состоит в том, что при доста­точно больших напряжённостях поля в p-n переходе электроны могут переходить из валентной зоны p полупроводника в зону проводимости n полупроводника без изменения своей энергии (рис. 1.13 ). Туннельный пробой обычно начинается при напряженности поля 210⁷ В/м для германия и 110⁸ В/м для кремния. Такая высокая напряженность поля характерна для узких переходов, т.е. переходов, изготовленных из по­лупроводников с высоким содержанием примесей.

Лавинный пробой. Лавинный пробой развивается в p-n переходах, образованных слаболегированными полупроводниками, когда ширина перехода достаточно велика. При лавинном пробое носители приобретают в поле p-n перехода энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристаллической решетки. В результате в области пе­рехода происходит размножение носителей, приводящее к увеличению обратного тока. При некотором обратном напряжении процесс ударной ионизации развивается лавинообразно - переход пробивается.

Тепловой пробой. Тепловой пробой наступает в том случае, когда выделяющаяся на переходе мощность больше отводимой мощности , где T_n - тем­пература перехода, T_окр - температура окружающей среды, R_Т – теп­ловое сопротивление между переходом и окружающей средой. Это ведет к повышению температуры перехода, к росту обратного тока и еще большему нагреву. Такой нарастающий процесс может привести к недопустимому перегреву перехода, в результате которого произойдет резкое увеличение обратного тока, т.е. возникает тепловой пробой.

С ростом температуры окружающей среды обратное напряжение, при котором происходит тепловой пробой, существенно снижается. В кремниевых переходах, где обратный ток мал вначале тепловой пробой практически исключается, но он может наступить в результате увеличения обрат­ного тока за счет туннельного или лавинного пробоев.

На рис. 1.14 показаны обратные ветви вольтамперных характе­ристик p-n переходов для трех рассмотренных видов пробоя.

1.4. Емкостные свойства p-n перехода.

1.4.1.Барьерная (зарядная) емкость перехода. Так как объемный заряд представляет собой двойной слой противоположных по знаку неподвижных зарядов, то каж­дый из слоев можно уподобить обкладке плоского конденсатора. Отличи­тельной особенностью его от конденсатора с металлическими обкладками является то, что заряды распределены по некоторому объему.

Емкость такого конденсатора определяется отношением изменения объемного заряда к изменению напряжения: .

Ее назвали барьерной или зарядной емкостью p-n перехода.

Теория показывает, что барьерную емкость можно вычислить по фор­муле

емкости обычного плоского конденсатора:

Поскольку ширина перехода зависит от постоянного напряжения U, приложенного к переходу, то и C _бар будет зависеть от U. Так, для ступенчатого

перехода

а для плавного

.

1.4.2. Диффузионная емкость p-n перехода. При прямом смещении p-n перехода в p и n областях за счет явления инжекции происходит накопление подвижных неравновесных носителей заряда. Отношение изменения инжектированного заряда

к изме­нению напряжения на переходе определяет диффузионную емкость, т.е.

.

Для случая инжекции дырок в n область , где I_p - дырочная инжекционная составляющая тока перехода, а для случая инжекции электронов в р область , где I_n – электронная инжекционная составляющая тока перехода. Ре­зультирующая диффузионная емкость . Как видно, диффузионная емкость будет тем больше, чем больше ток I через электронно-дырочный переход.

Полная емкость p-n перехода .

При малых обратных напряжениях и при прямом смещении, преобладает диффузионная емкость, а при больших обратных напряжениях (|U|>(34)_T)-барьерная.

Н аличие ёмкости перехода приводит к появлению емкостного фазово­го сдвига между током и напряжением при работе электронно-дырочного перехода на малом переменном токе. p-n переход для малой переменной составляющей тока можно представить в виде эквивалентной схемы, пока­занной на рис.1.15. Заметим, что параметры эквивалентной схемы за­висят от постоянного смещения, поданного на переход. За счет ёмкости p-n перехода ухудшаются его выпрямляющие свойства с увеличением частоты переменного напряжения.