1.3. Виды пробояp-nперехода

Пробоем p-nперехода можно назвать нарушение нормального режима односторонней проводимости. По механизму возникновения различаюттепловойиэлектрическийвиды пробоя.

Как было отмечено выше, при большом прямом токе происходит разогрев полупроводниковой структуры в соответствии с законом Джоуля – Ленца (физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока, установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцом). Полупроводники обладают отрицательной зависимостью удельного сопротивления от температуры. С ростом температуры сопротивление уменьшается, ток растёт, разогрев становится всё больше. Если избыток выделяющегося тепла не удаётся отвести, наступает недопустимый перегрев, и происходит тепловой пробой.

Максимально допустимая температура, при которой ещё не наступает тепловой пробой, составляет для кремния 140 ⁰С, для германия 70⁰С.

Электрический пробой возникает при превышении допустимого обратного напряжения. Механизм возникновения электрического пробоя связан с эффектом Зенера. Суть эффекта – прохождение электронов через потенциальный барьер в области перехода х (туннельный пробой). В момент возникновения туннельного пробоя начинается увеличение обратного тока.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения электроны, проходящие через потенциальный барьер, приобретают большую кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома при соударении с ним. Происходит выбивание валентных электронов, и поток электронов нарастает, как лавина. Если конструкция перехода не предусматривает его работу в области лавинного пробоя, произойдёт разрушение полупроводниковой структуры. Максимально допустимое обратное напряжение, которое указывается в справочниках, устанавливается на уровне 0,7…0,8 от величины напряжение Зенера.

1.4. Ёмкостиp-nперехода

Из рис. 1.3 видно, что в области p-nперехода группируются заряды ионизированных атомов донорной и акцепторной примесей. Эти заряды не могут пройти черезp-nпереход, так как для них он является закрытым, но они создают электрическое поле, которое влияет на процесс протекания тока.

При приложении обратного напряжения разность потенциалов в области х увеличивается, незначительно увеличивается и заряд. Обозначим зависимость заряда от напряжения. Тогда величина ёмкости закрытого p-nперехода, которую называют барьерной, определится как

. (1.3)

График зависимости барьерной ёмкости от величины обратного напряжения представлен на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Зависимость барьерной ёмкости p-nперехода от обратного напряжения

При приложении прямого напряжения через p-nпереход начинает протекать прямой ток, и весь объём полупроводниковой структуры начинает насыщаться зарядами, поступающими из источника внешнего питания. Ёмкость, которая накапливает заряды, называется диффузионной. Обозначим зависимость заряда от тока. Заряд прямо пропорционален току, а напряжение открытогоp-nперехода мало зависит от тока, так как дифференциальное сопротивление мало. Отсюда следует, что диффузионная ёмкость прямо пропорциональна прямому току

, (1.4)

где - температурный потенциал,В при 20⁰С;

 - среднее время жизни заряда от инжекции до его рекомбинации.

В расчётах принимают общую ёмкость p-nперехода равной сумме барьерной и диффузионной ёмкостейС_пер=С_бар+С_диф. Такое допущение можно сделать, поскольку диффузионная ёмкость при обратном смещении практически равна нулю, а при прямом смещенииС_диф>С_бар.