22.Пробой p-n перехода и его основные механизмы (тепловой, туннельный, лавинный).
Пробоем называют резкое изменение режима работы p-n-перехода, находящегося под большим обратным напряжением. ВАХ для больших значений обратных напряжений показана на рис. 1.5
Рис. 1.5 Началу пробоя соответствует точка А. После этой точки дифференциальное сопротивление перехода стремится к нулю. Под пробоем p-n-перехода понимается явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Все разновидности пробоя p-n перехода можно разделить на две основные группы пробоев: электрические и тепловые. Электрические пробои связаны с увеличением напряженности электрического поля в запорном слое p-n перехода, а тепловые - с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.В узких p-n переходах при относительно небольших обратных напряжениях (U ? 7В) обычно возникает полевой пробой. В основе полевого пробоя могут лежать несколько эффектов. Так, под действием большой напряженности электрического поля становится возможной генерация носителей заряда энергиями меньше е. При малых пробивных напряжениях основным эффектом, определяющим развитие полевого пробоя, становится туннельный. Электрический пробой, возникающий под действием этого эффекта, часто называют туннельным.В относительно широких p-n переходах при обратных напряжениях больше 15 В возникает лавинный пробой, механизм которого заключается в лавинном размножении носителей заряда в сильном электрическом поле под действием ударной ионизации. Электрон и дырка в запорном слое p-n перехода, ускоренные электрическим полем на длине своего свободного пробега, могут при столкновении с решеткой кристалла разорвать валентную связь. В результате рождается новая пара «электрон-дырка» и процесс повторяется под действием этих новых носителей. Таким образом, сопротивление p-n перехода начинает падать, а ток резко возрастать.Для того чтобы носители заряда успели приобрести высокую скорость, необходимую при ударной ионизации, путь и время их разгона должны быть относительно велики. Поэтому лавинный пробой и наблюдается только в широких p-n переходах, т. е. переходах, использующих слаболегированные полупроводники.Различают три вида пробоя p-n-перехода:
Туннельный пробой (А-Б),
Лавинный пробой (Б-В),
Тепловой пробой (за т.В).
Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.
Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом.
Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода.
Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода.