3.5.4. Пробой перехода

Пробой перехода – это резкое уменьшение дифференциального сопротивления (рост тока) при незначительном росте обратного напряжения. Существует четыре типа пробоя: полевой, лавинный, тепловой и поверхностный.

3.5.4.1. Полевой пробой

Физика пробоя такова. С увеличением обратного напряжения растет напряженность поля в переходе. Валентные электроны как бы подготавливаются полем к отрыву от атома. Достаточно еще небольшого толчка энергии, например, фотона, чтобы электроны оторвались и стали свободными. Обратный ток резко возрастает. С точки зрения зонной теории это равносильно уменьшению ширины запрещенной зоны.

Напряжение полевого пробоя с некоторым коэффициентом пропорционально удельному сопротивлению базы .

ВАХ диода с учетом пробоя показана на рис. 3.12. За начало пробоя условно принимают десятикратный рост тока: при .

3.5.4.2. Лавинный пробой

Пролетая через переход, ускоренные полем носители могут выбить валентные электроны у атомов. Процесс подобен цепной реакции – происходит лавинное размножение свободных носителей, резко увеличивающих обратный ток. Процесс описывается полуэмпирической формулой для коэффициента ударной ионизации, или коэффициента лавинного размножения:

,

где – напряжение лавинного пробоя. При , .

Напряжение лавинного пробоя зависит от удельного сопротивления базы: . Коэффициент аналогичен случаю полевого пробоя, а показатель степени зависит от материала и типа проводимости базы. В принципе, . Соотношение напряжений полевого и лавинного пробоев зависит от удельного сопротивления базы:

.

Выражение говорит о том, что при низких , а при высоких, наоборот, . ВАХ диода в области лавинного пробоя не отличается от ВАХ с учетом полевого пробоя.

3.5.4.3. Тепловой пробой

Тепловой пробой обусловлен выделением мощности на p-n-переходе. Выделение мощности приводит к росту температуры перехода . Рост температуры вызывает рост обратного тока и, следовательно, увеличение мощности. Происходит зацикливание и быстрый разогрев перехода. Обратный ток диода резко возрастает – наступает пробой перехода. Если рост температуры не остановить, p-n-переход может разрушиться. ВАХ диода при тепловом пробое показана на рис. 3.13. На кривой есть участок с отрицательным сопротивлением.

3.5.4.4. Поверхностный пробой

У всех приборов p-n-переход выходит на поверхность. По поверхности протекает ток утечки. Он может увеличиться, например, при разгерметизации корпуса до такой степени, что переход будет зашунтирован. В этом случае диод теряет вентильные свойства и выходит из строя.

3.5.4.5. Обратимость пробоев

Обратимость – это восстановление дифференциального сопротивления диода при снятии причины пробоя. Поверхностный пробой необратим. Полевой и лавинный пробои вызывают рост тока, мощности и, в итоге, температуры, т. е. могут привести к тепловому пробою. При превышении максимально допустимой температуры для данного материала (германий, кремний, арсенид галлия) переход разрушается, т. е. пробой необратим. Однако, если остановить рост тока (температуры), то приборы восстановят свои свойства.

На принципах лавинного и полевого пробоя основана работа стабилитронов и лавинных транзисторов. Для предотвращения выхода приборов из строя необходимо строго соблюдать правила их эксплуатации:

- не превышать максимально допустимого тока;

- не превышать максимально допустимого напряжения;

- не превышать максимально допустимой мощности;

- не разгерметизировать приборы.