3. Виды пробоев p-n перехода

3.1. Общая характеристика пробоя p-n перехода

Обратное напряжение, приложенное к диоду, падает на выпрямляющем электрическом переходе (p-nпереход) диода. При больших обратных напряжениях происходит пробойp-nперехода.Пробой p-n перехода– это явление резкого уменьшения дифференциального сопротивленияp-nперехода, сопровождающееся резким увеличением обратного тока, при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения.

Пробой приводит к выходу p-nперехода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся вp-nпереходе, не превышает максимально допустимой, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Поэтому для некоторых типов диодов пробой является основным рабочим режимом.

Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависит от типа p-nперехода и может иметь величину от единиц до сотен вольт.

В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают тепловой, лавинный и полевой пробои. Два последних вида пробоя p-nперехода относятся к электрическому пробою. Резкий рост обратного токаp-nперехода в режиме пробоя происходит за счет увеличения числа носителей заряда в переходе. При тепловом пробое число носителей заряда в переходе возрастает за счет термической ионизации атомов, при электрическом пробое – под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки.

3.2. Тепловой пробой p-n перехода

Тепловой пробой характерен для широких p-n переходов, у которых база слабо легирована примесями. Данный тип пробоя обусловлен разогревом p-n перехода при протекании через него обратного тока. В режиме постоянного тока мощность, выделяемая в p-n переходе, определяется соотношением:

P_ВЫД = I_ОБР U_ОБР.

Отводимая от p-n перехода мощность в результате теплопроводности и дальнейшего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву p-n перехода (Т_П-Т_ОКР) и обратно пропорционально тепловому сопротивлению конструкции диода R_Т:

Р_ОТВ = .

В установившемся режиме мощность, выделяющаяся на p-n переходе, и мощность, отводимая от него, должны быть равны:

Р_ВЫД = Р_ОТВ.

Если количество тепла, выделяемого на p-n переходе, превышает количество тепла, отводимого от p-n перехода, то температура перехода начинает расти и возникает тепловой пробой.

Вид обратной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) p-n перехода с тепловым пробоем представлен на рис.12.

В точке А обратное напряжение на p-n переходе достигает значения напряжения теплового пробоя U_ПР1, при котором начинается быстрый рост I_ОБР. ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем имеет участок АВ, на котором дифференциальное сопротивление отрицательно:

r_ДИФ = dU_ОБР/dI_ОБР < 0,

так как концентрация носителей заряда резко увеличивается и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток.

Рис.12. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем

Зависимость 1 рис.12 приведена для температуры окружающей среды T₁=+20С, тепловой пробой наступает при напряжении равномU_ПРОБ1. Если температура окружающей среды возрастет до значения T₂=+40C, то обратная ветвь ВАХ p-n перехода принимает вид зависимости 2 рис.12. Температурный коэффициент напряжения для теплового пробоя имеет отрицательное значение:

ТКН_ТЕПЛ = U_ПРОБ/Т  0,

где U_ПРОБ =U_ПРОБ2 –U_ПРОБ1изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величинуТ = Т₂– Т₁.