4.1.5. Пробой p-nперехода

Пробой – это процесс резкого увеличения тока через p-nпереход в области больших обратных напряжений. Напряжение пробоя обозначим какU_проб. Различают три вида пробоя:туннельный, лавинный и тепловой.

Первые два вида пробоя относятся к обратимым видам пробоя, тепловой пробой является необратимым.

Общий условный вид обратной ветви вольтамперной характеристики представлен на рис. 4.10. На этой кривой можно выделить три участка. Участок 1 соответствует нормальному ходу ВАХ, на участке 2 наблюдаются обратимые туннельный и лавинный пробой, наконец, участок 3 – это область необратимого теплового пробоя.

Туннельный пробой. Это вид пробоя возникает вследствие туннелирования электронов, возникающего из-за высокой напряженности электрического поля вp-nпереходе. Рассмотрим зонную диаграммуp-nперехода, на который подается достаточно высокое обратное напряжениеU_обр, создающее напряженность поляЕ=10⁶…10⁷В/м.

Напряженность поля Eвp-nпереходе должна быть такой, чтобы энергия электронов валентной зоны была такой же, как и энергия свободных электронов зоны проводимости.

Для туннельного эффекта необходимо чтобы толщина обедненного высокоомого слояlсоставляла величину порядка 10 нм. Для этого уровень легированияp-иn-областей должен быть не менее 10²⁴…10²⁵ м^-3.

Туннелирование возможно для электронов, энергия которых соответствует интервалу туннелированияΔφ_тун(рис. 4.11). Это интервал энергий (на зонной диаграмме – потенциалов), по обе стороны которого расположены разрешенные уровни энергии. При возрастании ширины интервала туннелирования Δφ_тунтуннельный ток через переход резко увеличивается.

Туннельный пробой возникает при напряжении U_проб≤5 В.С ростом температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается из-за некоторого снижения ширины запрещенной зоны полупроводника. Следовательно, температурный коэффициент напряжения туннельного пробоя ТКU_проб <0.

Лавинный пробой. Связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля. В этом поле носители на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар путем ударной ионизации атомов полупроводника. В результате ток черезp-nпереход возрастает и становится равным

I=I₀M,

где I₀– обратный ток черезp-nпереход,М– коэффициент лавинного умножения

Значение коэффициента лавинного умножения Мрассчитывается по формуле

,

где m=3…5 – коэффициент.

Лавинный пробой может возникать при напряжении U_проб =8…10 В. При отключении обратного напряжения на p-n переходе процесс лавинного пробоя прекращается. С ростом температуры напряжение лавинного пробоя возрастает из-за некоторого уменьшения длины свободного пробега электронов. Следовательно, температурный коэффициент напряжения туннельного пробоя ТКU_проб >0.

Тепловой пробой. Обусловлен процессом нагревания и последующего разрушенияp-nперехода вследствие образования проводящего канала для носителей заряда. Величина напряжения теплового пробояU_пробдостигает 1000 В и выше. С ростом температуры напряжение теплового пробоя уменьшается.