23. Пробой p-n-перехода

С ростом обратного напряжения, приложенного к p-n-переходу, начиная с некоторого значения этого напряжения происходит резкое увеличение обратного тока. Область резкого увеличения обратного тока называют областью пробоя электронно-дырочного перехода. Различают 3 вида пробоя p-n-перехода: лавинный, туннельный и тепловой. Для первых двух обязательно увеличение напряженности электрического поля, для третьего увеличение выделяемой мощности и соответственно его температуры. С возрастанием напряженности на переходе напряженность поля в переходе будет возрастать, несмотря на расширение области объемного заряда. При этом одно и то же напряжение на переходе будет создавать напряженность тем большую, чем выше концентрация примеси в полупроводнике. Поскольку ширина обедненной области обратно пропорциональна концентрации в менее легированной области p-n-структуры, напряженность электрического поля в p-n-переходе при обратном смещении можно представить как: . ПриU_обр=U_пр E=E_max. С учетом этого, а также подстaвив выражение для d, получим для ступенчатогоp-n-перехода и для плавного перехода.

Лавинный пробой в кремнии. Вид обратной ВАХ при лавинном пробое. Зависимость пробойного напряжения от концентрации примеси.

В основе лавинного пробоя лежит "размножение" носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода E_max = 10⁶ В/см). Электроны и дырки; ускоренные полем на дли­не свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома полупроводника. Этот процесс называется ударной ионизацией. В результате рождается новая пара электрон-дырка, и процесс повторяется уже с участием новых носителей (рис.2.15).

При , достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носите­лей в среднем порождает более одной новой пары, ударная ионизация приобретает лавинный характер.

Ход вольт-амперной характеристики в области лавинного размно­жения свободных носителей, вплоть до пробоя, описывается полуэмпирической формулой: (2.43)

где J₀ - обратный ток насыщения; М - коэффициент ударной иониза­ции, определяющий возрастание обратного тока вследствие лавинного умножения; J и U - модули обратных тока и напряжения; U_пр - напря­жение лавинного пробоя, при котором . Зкаченияп для кремния: 5 и 3 соответственно для n- и p-типов проводимости. Пробивное напряжение для ступенчатого и лавинного перехода можно определить зная напряженность поля E_max например для ступенчатого перехода

Рис.2.16. Зависимость пробив­ного напряжения от концентрации примеси на слаболегированной стороне р - п -перехо­дов: а - ступенчатого; б - ли­нейного; в - зависимость пробивного напряжения от градиента концентрации плавного р - n-перехода. Кривая I -экспериментальная, кривая 2 теоретическая.

, при этом и для линейно-плавного, при этом. Лавинный пробой имеет место в широкихp-n-переходах при невысоком уровне легирования (коллекторный переход транзистора) поскольку свободным носителям необходимо на каком-то промежутке пути приобрести достаточную для ионизации атомов решетки энергию.

Обычно заметный рост обратного тока начинается при U=0.3U_пр.

Зависимость напряжения пробоя от удельного сопротивления и ти­па проводимости полупроводника, в котором развивается процесс умно­жения носителей заряда в результате ударной ионизации, можно пред­ставить полуэмпирической формулой

U_пр=ap^m. m=0.65 для Si n-типа (переход р-n ); m = 0.75 для Si n-типа (переход п-р); a=86 для Si n-типа (p-n);

a=23 для Si n-типа (n-p), р - удельное сопротивление менее легированной области, OМ*см.

Туннельный (зиннеровский) пробой в кремнии. Его особенности и ВАХ.

Если р - п-переход достаточно "тонкий", то уже при сравни­тельно невысоком обратном напряжении возникает поле с достаточной напряженность» ( Е = 5-Ю⁶ В/см), чтобы вызвать туннельное проса­чивание носителей заряда (дырок, электронов) через переход. Таким образом, в основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект -явление, обусловленное волновой природой электрона. Суть этого явления заключается в том, что электроны могут преодолевать по­тенциальный барьер, если они имеют энергию не только превышающую высоту барьера, но и гораздо меньшую энергию, путем "просачивания" сквозь барьер, если он достаточно тонкий (рис.2.17,а)

В данном случае под высотой барьера понимают ширину запрещенной зо­ны (рис.2.17,а), а под его толщиной - расстояние между проти­воположными зонами. Итак, условие для туннелирования - узкий р-п-переход, а это возможно при высоких уровнях легирования областей р -п-перехода (например, эмиттерный переход транзистора). Пробивное напряжение можно определить по формуле:,

Рис.2.17. Туннельный пробой: а - схема механизма пробоя;

б - обратная вольт-амперная характеристика.

где - подвижность свободных (неосновных) носителей в менее ле­гированной области;- удельное сопротивление менее легированной области;- критическая напряженность поля приU_обр=U’_кр. На практике для кремния пользуются полуэмпирической формулой , где- удельные сопротивления соответственно п- и р -областей.

Таким образом, пробивное напряжение зависит от концентрации примеси в п-р -областях, поэтому для увеличения U_пр необходимо уменьшать концентрацию. Начало возникновения туннельного пробоя оценивают условно, принимая J_обр=10J₀.

Если сравнить зависимость пробивного напряжения при лавинном и туннельном пробоях от удельного сопротивления менее легирован­ной области, то ясно видно, что зависимость U_пр(р) при лавинном пробое более слабая, чем U^’_пр(р) при туннельном пробое, поэтому при высоких значениях p, когда U_пр < U_пр' , пробой носит лавинный характер, а при низких , когда U_пр>U’_пр, - туннельный (иногда его называют зиннеровским).

На практике туннельный и лавинный пробои отличаются по знаку температурного коэффициента пробивного напряжения (ТК U_пр). Это объясняется тем, что напряжение U_пр (туннельного пробоя) находится в прямой зависимости от ширины запрещенной зоны, поэтому уменьшение зеличины с ростом температуры вызывает уменьшение пробивного напряжения U_пр (отрицательный ТК U’_пр).-

Напряжение лавинного пробоя находится в обратной зависимости от подвижности носителей, поэтому уменьшение . с ростом темпера­туры вызывает увеличение U_пр(положительный ТК U_пр].

Изменение в широкихр -п -переходах существенного влияния на U_пр не оказывает. Пробой ограничивает величину обратного напряжения, которое мож­но приложить к р- п -переходу в полупроводниковом приборе. Однако в полупроводниках нарушение электрической прочности (пробой) не обязательно сопровождается необратимыми изменениями (разрушением) материала. Следует отметить, что лавинный пробой наступает чаще всего в переходе коллектор-база биполярного транзистора, а туннель­ный - в переходе эмиттер-база.

Тепловой пробой. Его особенности и ВАХ. Тепловой пробой обуслов­лен выделением тепла в переходе при протекании обратного тока. При обратном напряжении U и токе J₀ выделяемая на р- п -переходе мощ­ность

Р=UJ_0. Под действием этой мощности температура перехода повысится по срав­нению с температурой окружающей среды T₀ на величину , т.е. Т-T_д =R_tP, где R_t - тепловое сопротивление, град/Вт; -изменение температурыр - п -перехода . Соответственно возрастут J₀ и Р . Такая взаимосвязь может привести к лавинообразному увеличению тока т.е. к пробою перехода.

Подставив значение в формулу для тока термогенерации (или теплового тока)

и обозначив J₀(Т_д)= У_д1 , получим уравнение относительно тока J_д : .

уравнение описывает обратную вольт-амперную характеристику (рис.2.18) при тепловом пробое.

Решение этого трансцендентного уравнения представлено графически на рис. 2. 19.

Напряжению теплового пробоя соответствует точка А на рис. 2. 19, которой производные обеих частей уравнения по току равны между собой: (2.53)

При этом показатель степени в правой части уравнения равен I, зна­чит J₀=eJ₀₁ , что можно назвать условием возникновения термогене­рация. Коэффициент а зависит от температуры:

Рис.2.18. Обратная ветвь Рис.2.19. Графическое решение

вольт-амперной характе трансцендентного уравнения от-

ристики при тепловом носительно обратного тока для

пробое» вольт-амперной характеристики

Это значение а может быть использовано для кремния до температур 393 - 423 К.

Значение пробивного напряжения можно определить из (2.53):

На практике тепловой пробой может начаться лишь тогда, когда обратный ток уже приобрел достаточно большую величину в результате лавинного или туннельного пробоя.