121

4. Пробой р-п перехода в полупроводниковых приборах

1. Лавинный пробой р-п перехода

Ударная ионизация Ударная (Оже) рекомбинация

В состоянии равновесия процессы ударной ионизации и ударной рекомбинации компенсируются. При отрицательном напряжении преобладает ударная ионизация.

— коэффициент ударной ионизации для электрона (дырки) — среднее число электронно-дырочных пар, созданных электроном (дыркой) на единице пройденного вдоль поля пути. Положим: .

— вероятность ионизации пары носителем заряда в поле на длине свободного пробега , где — пороговвая энергия ионизации.

Отсюда . (1.1)

Для Si: 1,6510⁶ В/см, 10^-6 см.

— очень резкая функция.

(1.2)

— коэффициент размножения носителей в переходе (среднее число пар, созданных носителем заряда на длине l ).

Эмпирическая формула:

. (1.3) Для Si:

Если без ударной ионизации обратный ток , то при наличии ударной ионизации

; . (1.4)

Критерий лавинного пробоя: . С учетом (1) и (2) — это трансцедентное уравнение для определения напряжения лавинного пробоя .

Параметры резко несимметричного ступенчатого р-п перехода определяются результирующей концентрацией примеси в базе , и .

Для всех изученных полупроводников при Т = 300 К:

, где

— ширина запрещенной зоны (В), 1,1 В, = 60 В, = 10¹⁶ см^-3.

Параметры линейного р-п перехода определяются градиентом концентрации примеси в переходе , и .

Для всех изученных полупроводников при Т = 300 К: , где

10²⁰ см^-4, а остальные параметры те же.

2. Туннельный (полевой, зенеровский) пробой

Барьер почти треугольный.

Две причины роста туннельного тока с ростом обратного напряжения:

1) Растет диапазон энергий, в котором электроны могут туннелировать;

2) Сужается барьер (ширина по основанию d.

Вторая причина гораздо важнее —

прозрачность барьера очень резко (экспоненциально) зависит от его ширины. Поэтому туннельный ток I_tun очень резко зависит от напряжения и можно говорить о пробое. Приближенно можно считать, что пробой происходит при

.

Из подобия треугольников: .

При пробое ():

.

Для ступенчатого перехода: , .

Отсюда: . (2.1а)

Для линейного перехода: ,

.

Отсюда: . (2.1б)

Формулы (1) дают правильные результаты при нм.

Равенства приближенные, т.к. пробой определяется условно.

В Si при см^-3 (для ступенчатого перехода) или см^-4 (для линейного перехода): .

3. Особенности ВАХ лавинного и туннельного пробоя

1). Области реализации лавинного и туннельного механизмов пробоя.

При напряжении пробоя > 6,5 B — пробой лавинный,

при напряжении

пробоя < 6,5 B — туннельный.

Так же для линейного перехода.

2). Характер ВАХ.

Туннельный пробой –

более «мягкий».

3) Температурная зависимость.

Напряжение лавинного пробоя растет с температурой, т.к. уменьшается длина свободного пробега носителей и падает вероятность ионизации эл.-дыр. пар на длине свободного пробега. (Этот тип пробоя реализуется при малых концентрациях примеси, когда рассеяние происходит в основном на фононах, число которых с температурой растет).

Напряжение туннельного пробоя снижается с температурой, т.к. уменьшается ширина запрещенной зоны V_g .

Резкий излом ВАХ используется в стабилитронах.

4. Тепловой пробой

При V < 0 протекает обратный ток. Хотя он и мал, выделяется тепло, повышается температура перехода. При этом возрастает обратный ток, и еще больше растет температура. С растом температуры еще более возрастает обратный ток. Положительная обратная связь: .

Обратная связь может привести к неограниченному росту тока — пробою.

Тепловой баланс обратно смещенного перехода:

— поглощаемая мощность; — рассеиваемая,

где — температура перегрева, — температура среды,

— тепловое сопротивление. Обратный ток: .

Если (тепловой ток), ; если (ток термогенерации), .

Условие баланса (): .

На ВАХ 2 тока соответствуют 2-м температурам.

При : ; .

Отсюда:

; ;

; .

Напряжение теплового пробоя мало (реализуется) когда:

1) обратный ток велик (мощные диоды, Ge диоды); 2) плохой теплоотвод.

Это негатрон S-типа. Пробой может быть необратимым (диод сгорит), если IV > P_max.

Практически реализуется тот механизм пробоя, который имеет меньшее напряжение пробоя.

5. Пробой коллекторного перехода в БТ

При (нормальный режим, или отсечка) коллекторный переход БТ может пробиваться. Обычно пробой имеет лавинный характер:

. С учетом (1.3):

, (5.1)

где — напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода (как диода при = 0).

В схеме ОБ (задан ток ):

при .

Следовательно, напряжение пробоя транзистора в схеме ОБ:

В схеме ОЕ (задан ток ):. Подставляя в (5.1), получим:

. Учитывая, что

, , , получим: ; (5.2а)

. (5.2б)

при .

Следовательно, напряжение пробоя транзистора в схеме ОБ:

.

В планарных транзисторах коллекторный переход близок к линейному , . Поэтому в схеме ОЭ напряжение пробоя коллекторного перехода в 2,5…3 раза меньше, чем в схеме ОБ.

С эффектом Эрли связан еще один механизм пробоя в схеме ОЭ. Из (5.2а) следует, что даже при отсутствии размножения носителей в коллекторном переходе при . Это может иметь место из-за эффекта Эрли: при некотором напряжении коллекторый переход смыкается с эмиттерным, и . Этот эффект — прокол базы —проявляется как пробой в схеме ОЭ.

В мощных транзисторах может реализоваться тепловой пробой коллекторного перехода. Напряжение теплового пробоя .

В схеме ОБ: , а в схеме ОЭ: . Поэтому в схеме ОЭ напряжение теплового пробоя коллекторного перехода меньше, чем в схеме ОБ в раз.

Основные результаты

1). В полупроводниковых приборах низкой мощности основные виды пробоя р-п перехода — лавинный и туннельный.

2). Лавинный пробой реализуется в ступенчатых р-п переходах с низкой концентрацией примеси в менее легированной области, или в линейных р-п переходах с низким градиентом концентрации примеси.

Туннельный пробой реализуется в ступенчатых р-п переходах с высокой концентрацией примеси в менее легированной области, или в линейных р-п переходах с высоким градиентом концентрации примеси.

Если напряжение пробоя более 6…7 В — пробой лавинный, если менее 6…7 В — туннельный.

3). ВАХ лавинного и туннельного пробоя монотонны. Напряжение лавинного пробоя определено точно (); напряжение туннельного пробоя определяется условно (по заданной величине обратного тока).

4). Напряжение лавинного пробоя растет с температурой, напряжение туннельного пробоя — снижается.

5). В биполярных транзисторах напряжение пробоя коллекторного перехода в схеме ОЭ ниже, чем в схеме ОБ.

6). В биполярных транзисторах в схеме ОЭ может реализоваться прокол базы, который проявляется как пробой коллекторного перехода.

7). Тепловой пробой реализуется в мощных приборах с плохим теплоотводом. ВАХ теплового пробоя имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

8). В биполярных транзисторах напряжение теплового пробоя в схеме ОЭ значительно ниже, чем в схеме ОБ.