1. Туннельный пробой

В основе этого вида пробоя лежит туннельный эффект (туннелирование электронов через потенциальный барьер). Под высотой потенциального барьера следует понимать ширину запрещенной зоны, а под шириной барьера – расстояние d между “противостоящими” зонами.

Вероятность туннельного эффекта для потенциального барьера шириной d и высотой Ф определяется экспонентой:

Туннельный пробой: (а) – зонная диаграмма, (б) – обратная характеристика диода в режиме пробоя.

2. Лавинный пробой

Второй механизм пробоя заключается в лавинном “размножении” носителей в сильном электрическом поле. Этот процесс можно представить себе так же, как ударную ионизацию газа. Электрон и дырка (аналог положительного иона в газе), ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из валентных связей атома полупроводника, расположенного в области перехода. В результате рождается новая пара электрон-дырка, и процесс может повторяться под действием этих новых носителей. При достаточно большой напряженности поля ионизация может приобрести лавинный характер подобно самостоятельному разряду в газе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой: (а) – схема размножения дырок; (б) – обратная характеристика диода в режиме лавинного пробоя.

3. Тепловой пробой

Третий механизм пробоя обусловлен выделением тепла в переходе при протекании обратного тока. Пусть задано обратное напряжение U/ Тогда рассеиваемая мощность составит P = UI₀ . Под действием этой мощности температура перехода повысится. Соответственно возрастут ток I₀ и мощность Р. Такая взаимосвязь может привести к лавинному увеличению тока, т.е. к пробою перехода. Область пробоя характеризуется участком (на обратной характеристике) с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Полупроводниковые стабилитроны

Стабилитрон – кремниевый (как правило) плоскостной диод, работающий в области пробоя. Механизм пробоя в полупроводниковых стабилитронах может быть туннельным, лавинным или смешанным в зависимости от сопротивления базы. Выбор кремния в качестве материала стабилитронов обусловлен главным образом малым обратным током. При этом саморазогрев диода в предпробойной области отсутствует, и переход в пробой получается достаточно резким. Кроме того, в самой области пробоя, даже при больших токах, нагрев диода не носит лавинообразного характера.

Статическая характеристика полупроводникового стабилитрона: (а) – полная характеристика, (б) – рабочий участок.

Туннельные диоды

Статическая характеристика туннельного диода и его эквивалентная схема на участке с отрицательным сопротивлением.

Энергетические диаграммы туннельного диода на разных участках характеристики:

(а) – равновесное состояние, (б) – обратное включение, (в) – прямое включение при U > U₁ , (г) – прямое включение при U₁ < U < U₂ , (д) – прямое включение при U > U₂ .

Статическая характеристика обращенного диода.

Особенность обращенного диода состоит в том, что отсутствует (или очень мал) максимум на прямой ветви. В этом случае логично повернуть характеристику на 180^о (показано пунктиром) и считать прямую ветвь обратной, а обратную – прямой. Таким образом, обращенный диод имеет значительно меньшее прямое напряжение, чем плоскостные диоды (однако, обратное напряжение тоже весьма мало (0,3 - 0,5 В)).

Биполярные транзисторы

Транзистор p-n-p типа Транзистор n-p-n типа

Упрощенная структура плоскостного Реальная структура сплавного

транзистора бездрейфового (диффузионного)

транзистора

Схемы включения транзистора:

(а) – с общей базой, (б) – с общим эмиттером, (в) – с общим коллектором.