2.9. Пробій p-n переходу

Пробій p-n переходу – це явище різкого збільшення диференціальної провідності p-n переходу при досягненні зворотною напругою (струмом) критичного для даного приладу значення. Існують три основних види (механізми ) пробою: тунельний, лавинний і тепловий. Тунельний та лавинний відносять до електричних пробоїв, які спричинюються лавинним розмножуванням носіїв заряду чи тунельним ефектом під дією прикладеної напруги.

Тунельний пробій обумовлюється тунельним ефектом – переходом електронів крізь потенціальний (енергетичний) бар`єр без зміни енергії. Тунельний ефект відбувається тільки за дуже малої товщини переходу. Оскільки вірогідність тунелювання значною мірою залежить від напруженості електричного поля, то зовні тунельний ефект виявляється як пробій p-n переходу. Напруга тунельного пробою не перевищує декількох вольт. При підвищенні температури ширина забороненої зони трохи зменшується.

Лавинний пробій пов`язаний з утворенням лавини носіїв зарядів під дією сильного електричного поля, в якому носії на довжині вільного пробігу набувають енергії, достатньої для утворення нових електронно-діркових пар шляхом ударної іонізації атомів напівпровідника. Пробій виникає при U_R=U_ПРОБ, коли відбувається безперервне зростання струму. Чим меншою є концентрація домішок і чим більшою ширина забороненої зони, тим більшою буде напруга пробою.

При невисоких концентраціях домішок (менше 10¹⁸см^-3) напруга лавинного пробою менша, ніж тунельного, тобто має місце лавинний пробій. При високих концентраціях домішок (понад 10¹⁹см^-3) напруга лавинного пробою вища, ніж напруга тунельного, і відбувається тунельний пробій. Для проміжних значень концентрацій домішок пробій обумовлюється двома механізмами. Пробій може початись як лавинний, а потім при збільшенні зворотного струму перейти в тепловий. Після усунення електричних пробоїв p-n перехід відновлює свої властивості. У деяких напівпровідникових приладах це явище використовують для корисних перетворень електричних сигналів (наприклад, у стабілітронах).

Тепловий пробій спричиняється нагріванням p-n переходу за рахунок виділення теплоти при проходженні зворотного струму. Такий пробій відбувається внаслідок зростання носіїв заряду через порушення рівноваги між кількістю тепла, що виділяється в p-n переході і кількістю тепла, що відводиться від нього. На переході виділяється потужність розсіювання (І_RU_R), яка спричинює підвищення температури ЕДП і прилеглих до нього ділянок напівпровідника. Внаслідок цого збільшується концентрація неосновних носіїв і тепловий струм, що знову таки призводить до подальшого зростання потужності розсіювання та температури.

Тепловий пробій завжди призводить до руйнування електричного переходу. При проектуванні та експлуатації електричних переходів створюють схемотехнічні та конструктивні умови, щоб запобігти тепловим пробоям.

2.10. Перехід метал-напівпровідник

У сучасних напівпровідникових приладах, крім контактів з електронно-дірковими переходами та гетеропереходами, використовують також контакти між металом і напівпровідником. Процеси в таких переходах залежать від співвідношення робіт виходу електронів з металу i напівпровідника. Відомо, що робота виходу визначається енергією, яку повинен витратити електрон, щоб вийти з металу або напівпровідника. Чим меншою є робота виходу, тим більше електронів може вийти з даного тіла.

При ідеальному контакті металу з напівпровідником відбувається дифузія електронів із матеріалу з меншою роботою виходу в матеріал з більшою роботою виходу. Якщо в контакті металу з напівпровідником п-типу (рис.2.9, а) робота виходу електронів з металу А_м менша ніж робота ви­ходу з напівпровідника А_n, то буде переважати вихід електронів з металу в напівпровідник. Тому у шapi напівпровідника поблизу межі накопичуються ocновнi носії (електрони), i цей шар стає збагаченим, тобто в ньому збільшується концентрація електронів. Oпip цього шару буде незначний за будь-якої полярності прикладеної напруги. Отже, такий перехід не має випрямних властивостей. Електричний перехід, опір якого не залежить від напрямку струму в заданому діапазоні значень струмів, називають омічним переходом.

Такий же невипрямний перехід створюється в контакті мета­лу з напівпровідником р-типу (рис.2.9, б), якщо робота виходу електронів з напівпровідника менша, ніж з металу (А_p< А_м), тобто у метал переходить більше електронів, ніж у зворотному напрямі. У приконтактному шapi напівпровідника також утворюється зона, збагачена основними носіями (дірками), а тому вона з малим опором.

Обидва типи невипрямних контактів широко використовуються в напівпровідникових приладах для забезпечення електричних з`єднань напівпровідника n- i p-типу з металевими струмопровідними частинами напівпровідникового приладу. Опір омічних контактів повинен бути малим. Омічний перехід не повинен інжектувати неосновні носії заряду і мати стабільні електричні і механічні властивості. Для цього підбираються відповідні метали.

Протилежні властивості має перехід, коли в контактi металу з напівпровідником п-типу A_п< А_м. При цьому електрони переходять переважно з напівпровідника в ме­тал, i у межовому шарі напівпровідника утворюється ділянка, збіднена основними носіями, тобто запірний шар. На переході формується порівняно високий потенціальний бар’єр (бар’єр Шотткі), висота якого буде суттєво змінюватись залежно від полярності ввімкненої напруги. Такий перехід має випрямні властивості i використовується в діодах Шотткі. Важливо, що в цих контактах у металі, куди надходять електрони з напівпровідника, відсутні процеси накопичення та розосередження неосновних нociїв, що характерно для ЕДП.

Подібні випрямні властивості має контакт металу з напівпровідником р-типу при А_м < А_p .