4. Лавинный пробой

Лавинный пробой относится к электрическому виду пробоя и проявляется в p-n переходах средней величины, то есть ширина p-n перехода достаточна большая. При увеличении значения обратного напряжения на p-n переходе напряженность электрического поля E = U_обр/l_обр (В/см) растет. Когда напряженность электрического поля достигает критического значенияE_КР = (80120) кВ/см, то создаются условия для ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника непосредственно в p-n переходе быстрыми) электронами или дырками, которые получили достаточное ускорение за счет действия напряженности электрического поля p-n перехода. Такие носители называются «горячими», так как их средняя энергия существенно превышает энергию теплового движенияk T₀. Механизм ударной ионизации нейтральных атомов p-n перехода иллюстрируется на рис. 5.

Рис. 5. Механизм ударной ионизации

В результате ударной ионизации генерируются новые пары носителей заряда, которые, в свою очередь, ускоряясь под действием напряженности электрического поля, вновь при столкновении с нейтральными атомами полупроводника образуют новые электронно-дырочные пары. Ионизацию нейтральных атомов совершают только те электроны и дырки, которые на длине свободного пробега электрона набирают за счет напряженности электрического поля энергию, достаточную для ионизации. Поэтому ширина p-n перехода должна быть достаточна большая, а именно много больше длины свободного пробега электрона :l_обр .

С ростом U_обр увеличивается ширина p-n перехода и напряженность электрического поля в нем, электроны разгоняются сильнее, резко возрастает число ионизаций, совершаемых каждым электроном, и ток p-n перехода лавинообразно растет.

Напряжение лавинного пробоя определяется из соотношения

U_проб = А_б^В,

где _б - удельное электрическое сопротивление базы диода;

А, В - коэффициенты, зависящие от материала и типа электропроводности полупроводника, их значения указаны в таблице.

Материал и тип перехода	А	В
Германиевый переход, база p-типа	52	0,6
Германиевый переход, база n-типа	83	0,6
Кремниевый переход, база p- типа	23	0,75
Кремниевый переход, база n- типа	86	0,65

Так, например, для p-nперехода с базойn-типа

,

где q– заряд электрона;

_n – подвижность электронов;

n_n– концентрация электронов - основных носителей заряда полупроводникаn-типа.

Чем меньше концентрация примесей в базе p-n перехода, тем выше ее удельное электрическое сопротивление, шире p-n переход, меньше в нем напряженность электрического поля и соответственно более высокое значение напряжения лавинного пробоя. Эмпирические коэффициенты А и В различны не только для p-nпереходов из разных материалов, но и для переходов из одного и того же материала с разными типами электропроводности базы (p⁺-nиn⁺-p). Связано это различие в коэффициентах с тем, что подвижность электронов отличается от подвижности дырок в одном и том же материале.

Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с лавинным пробоем представлена на рис. 6.

Лавинный пробой характерен для p-n переходов с напряжением пробоя более 7 В.

Зависимость 1 рис. 6 соответствует температуре окружающей среды T₁= +20 С. С увеличением температуры окружающей среды лавиннный пробой наступает при большем напряжении (U_проб2 U_проб1). Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки полупроводника и уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, а значит, и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в электрическом поле. Поэтому для получения энергии, необходимой для ударной ионизации нейтральных атомов, требуется большая напряженность электрического поля в p-n переходе, и, следовательно, напряжение лавинного пробоя возрастает.

С другой стороны, при увеличении температуры уменьшается подвижность носителей заряда полупроводника, растет удельное электрическое сопротивление базы p-n перехода, а в соответствии с соотношением

U_проб  _б

напряжение лавинного пробоя также возрастает.

На рис. 6 зависимость 2 изображена для температуры окружающей среды T₂= +50С. Таким образом, температурный коэффициент напряжения при лавинном пробое имеет положительное значение:

ТКН_ЛАВ=U_проб/Т  0,

где U_проб = U_проб2 – U_проб1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величинуТпри фиксированном значении обратного тока.

Рис. 6. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода при лавинном пробое