Твердотельная электроника.-3

307

Таким образом напряжение пробоя p-n перехода при тепловом механизме зависит от конструктивного оформления прибора ( RT ) , температурного коэффициента обратного тока и -об ратного тока при заданной температуре окружающей среды. Можно отметить, что в германиевых приборах обратные токи больше, чем в кремни-

евых и в них преимущественно развивается тепловой пробой.

С увеличением температуры напряжение теплового пробоя уменьшается (рис.4,46), что обусловлено возрастанием обратного тока, соответствующего температуре окружающей среды и ухудшением условий теплоотвода.

Полученный результат, выраженный формулой (4.102), на первый взгляд, как уже отмечалось, кажется неожиданным. Действительно, при развитии теплового пробоя можно было бы ожидать достижения в момент пробоя достаточно высоких температур p-n перехода. Тем более этот результат кажется - не обычным еще и по той причине, что в ряде случаев при тепловом пробое наблюдается разрушение p-n переходов в результате плавления полупроводника или проявления необратимых физи- ко-химических процессов в полупроводнике за счет высоких температур. Не совсем очевиден также тот факт, что время формирования теплового пробоя невелико и составляет10-7 ¸ 10-6 с. Учитывая инерционность тепловых процессов, можно было бы ожидать значительно большего времени до развития пробоя.

Однако возникшие вопросы достаточно легко разрешимы, если исходить из шнуровой модели теплового пробоя. Аналогично тому, как это имеет место и при лавинном и при туннельном пробоях, пробой по тепловому механизму также носит локальный характер. При этом процессы, описанные в начале раздела, развиваются не по всей площади перехода, а в шнурах или каналах повышенной проводимости.

Возникновение шнуров в реальном p-n переходе может быть вызвано статической флуктуацией плотности обратного тока по площади перехода, статическим разбросом ширины ОПЗ, дефектами в p-n переходе. Действительно, если в каком-то месте

p-n перехода плотность обратного тока оказалась несколько

308

выше, чем в других частях, то мощность, выделяемая в этом месте, возрастает, и процессы с положительной обратной связью, характерные для теплового пробоя, развиваются лавинообразно в этом участкеp-n перехода, образуя канал повышенной проводимости.

Диаметр шнура, возникающего при тепловом пробое, может составлять всего несколько микрометров, а длина его определяется шириной ОПЗ, т.е. составляет десятки микрометров. Таким образом, при выделении даже малой мощности, удельная плотность мощности, выделяемая в объеме шнура, достигает значительной величины. Естественно, что локальная температура в шнуре также значительна и не соответствует соотношению (4.102). Можно говорить том, что соотношение (4.102) дает оценку интегральной температурыp-n перехода, тогда как локальная температура в шнурах значительно превышает рассчитанную по (4.102) и может, если не ограничивать обратный ток,

достигать температуры плавления полупроводника или таких температур, при которых возникают необратимые физикохимические процессы в полупроводнике. Естественно, что подобные процессы делают тепловой пробой процессом необратимым. С позиций шнуровой модели пробоя становятся понятными и легко объяснимыми наблюдаемые малые времена формирования теплового пробоя: тепловые процессы в малом объеме шнура протекают достаточно быстро.

В заключении необходимо отметить, что напряжение пробоя по тепловому механизму зависит от очень многих факторов: условий окружающей среды (давления, влажности, т.д.), конструктивного оформления прибора и др.

4.17. Зависимость параметров ЭДП от температуры

Поскольку электрофизические свойства полупроводников зависят от температуры, следовательно, и параметры полупроводниковых приборов будут зависеть от температуры. Темпера-

турно-зависимыми параметрами являются: j k 0 , js, ni, D, t , L,

Pn0 , n p0 .

310

Is (T ) = Is (T0 ) × 2 Tу ,

200С до 800С js возрастает в 430 раз. При больших температу-

рах ток js увеличивается настолько, что диод теряет работоспо-

собность.

В этом вопросе нельзя впасть в заблуждение. Дело в том, что на практике обратные токи у кремниевых приборов увеличиваются с ростом температуры медленнее, чем у германиевых, хотя предыдущие рассуждения говорят об обратном. Но дело в

aSi » 0,08K .

2.Прямой ток – с ростом температуры изменяется как

311

T1

Рисунок 4.47. ВАХ ЭДП при различных температурах

ширины dопз и росту Сб . Уменьшение jк обусловлено тем, что с ростом температуры уровень Ферми в p- и n- полупроводниках стремится к Ei .

4.tn , t p - с ростом температуры t увеличивается по эмпи-

рическому закону t p (T ) = t p (T0 )( T )r , где r = 3,5 для кремние-

T0

вых приборов и r = 2,2 - для германиевых.

Так при изменении температуры от-600С до +800С (диапа-

зон рабочих температур) t pGe увеличивается в 3 раза, а в крем-

нии – в 6 раз. Поэтому с ростом температуры скорость переходных процессов возрастает (увеличивается время восстановления обратного сопротивления), а fпред – уменьшается.

314

где, элемент - dQ - это конденсатор большой емкости, dt

отражает процесс накопления носителей в базе и называется накопителем.

- Qб - генератор тока, отражающий процесс рассасы- tб

вания носителей из базы за счет рекомбинации.

Решение уравнения (4.112) дает вид зависимости I = f (t)

где I0 - ток в установившемся режиме работы. Зависимость заряда в базе от времени при включении имеет вид

где tб - время жизни носителей заряда.

4.19. Гетеропереходы

Гетеропереходом называется электрический переход на контакте полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. В зависимости от контактирующих полупроводников ге-

теропереходы делятся на изотипные( n+ - n, p+ - p) и анизотипные (n+ - p, p+ - n) .

Электрический переход металл-полупроводник является частным случаем гетероперехода. Примерами гетеропереходов могут быть переходы германий-кремний, германий-арсенид галлия, арсенид галлия-фосфид галлия и т.д.

Для получения гетеропереходов с минимальным числом дефектов на границе раздела кристаллическая решетка одного по-

315

лупроводника должна с минимальными нарушениями переходить в кристаллическую решетку другого.

Основное отличие свойств гетероперехода от гомоперехода хорошо видно при рассмотрении зонной диаграммы р-n перехода (рис. 4.48). Правила изображения зонных диаграмм гетеропереходов не отличаются от изображения диаграмм гомопереходов. На рис. 4.48 представлены зонные диаграммы для случая контактирования узкозонного полупроводникаn-типа и широкозонного полупроводника p-типа (рис. 4.48а) и контакт широкозонного полупроводника n-типа и узкозонного полупроводника p-типа (рис. 4.48,б).

Из рис. 4.48 видно, что высота потенциального барьера для электронов и дырок в гетеропереходе значительно отличаются. Так для контакта, изображенного на рис.4.48а, для электронов потенциальный барьер велик, что препятствует переходу электронов из n в р область, а на рис. 4.48б наоборот, высокий потенциальный барьер препятствует инжекции дырок. В любом случае в гетеропереходе инжекция носителей происходит из области полупроводника с широкой запрещенной зоной в узкозонный полупроводник.

Гетеропереходы на основе контактов полупроводников с одним типом проводимости( n+ - n, p+ - p) обладают эффектом односторонней проводимости без инжекции неосновных носителей. Значения параметров DE и DEV определяются выражением (4.113).

DEC = c1 - c2

DEV = DE2 - DE1 - DEC , (4.113)

где c1 , c2 -электронное сродство полупроводников;