1.7. Еквівалентні схеми p-n переходів

А б в

Рис. 6. Еквівалентні схеми p-n переходів: ідеалізованого в режимі малого (а) та великого (б) сигналів; реального в режимі великого сигналу (в)

1.8. Пробій p-n переходу

Під пробоєм p-n переходу розуміють значне зменшення оберненого опору, яке супроводжується різким зростанням оберненого струму при збільшенні прикладеної до переходу оберненої напруги. Розрізняють три види пробою: тунельний, лавинний і тепловий (рис. 7).

Рис. 7. Види пробою p-n переходу: лавинний (1), тунельний (2) і тепловий (3)

Рис. 8. Енергетична діаграма, яка пояснює виникнення тунельного пробою

В основі тунельного пробою лежить тунельний ефект, тобто просочування електронів через потенціальний енергетичний бар’єр без зміни енергії (рис. 8). Тунельний ефект спостерігається лише при дуже малій товщині бар’єру d~10нм. Він має місце в переходах між сильнолегованими р⁺- та n⁺-областями (N_д, N_а>10¹⁸см^-3) при високій напруженості оберненого електричного поля (>10⁵ В/см). При такій напруженості енергетичні зони викривляються настільки, що енергія електронів валентної зони напівпровідника р-типу стає такою ж, як і енергія вільних електронів зони провідності напівпровідника n-типу. Це дає змогу електронам тунелювати з області р в область n, проходячи «по горизонталі» під енергетичним бар’єром трикутної форми з висотою ΔЕ_б (заштрихований трикутник). Тунельні переходи можливі лише для електронів, енергія яких відповідає інтервалу тунелювання ΔЕ_тун., в якому по обидва боки розміщені дозволені рівні енергії. Висота енергетичного бар’єру ΔЕ_б менша від висоти бар’єру p⁺-n⁺ переходу. З ростом оберненої напруги ширина бар’єру d зменшується, що підвищує ймовірність тунелювання. Тунельний струм різко збільшується, оскільки зростає інтервал тунелювання і кількість електронів у ньому.

Початок тунельного пробою оцінюється за десятикратним перевищенням тунельним струмом оберненого струму переходу. Напруга тунельного пробою становить (0÷5)В і знижується при підвищенні температури.

Лавинний пробій викликається ударною іонізацією, яка відбувається тоді, коли напруженість електричного поля, створеного зворотньою напругою, достатньо велика. Неосновні носії заряду, які рухаються через p-n перехід, прискорюються настільки, що при співударі з атомами в зоні p-n переходу іонізують їх. В результаті іонізації одного атома появляється пара електрон-дірка. Новоутворені носії заряду прискорюються електричним полем та в свою чергу можуть викликати іонізацію наступного атома і т.д. Якщо процес ударної іонізації має лавиноподібний характер, то кількість носів заряду та обернений струм безперервно зростають. Струм через p-n перехід обмежується лише опором у зовнішній частині кола.

Для кількісної характеристики процесу ударної іонізації використовують коефіцієнт лавинного множення М_л, який показує, у скільки разів струм, що протікає через обернено зміщений p-n перехід, більший від оберненого струму: . Коефіцієнт М_л можна визначити з емпіричного виразу

,

де U_{проб.лав} – напруга, при якій виникає лавинний пробій і М_л→∞ ; m – параметр, залежний від матеріалу напівпровідника і типу провідності бази (m=3 для кремнію p-типу і германію n-типу та m=5 для кремнію n-типу і германію p-типу).

Лавинний пробій виникає у високоомних напівпровідниках, які мають достатньо велику ширину p-n переходу. Напруга лавинного пробою залежить від температури напівпровідника і росте з її збільшенням через скорочення довжини вільного пробігу носіїв заряду. При невисоких концентраціях домішок (менше 10¹⁸см^–3) напруга лавинного пробою нижча, ніж тунельного, тобто спостерігається лавинний пробій. При високих концентраціях домішок (більше 10¹⁹см^-3) напруга лавинного пробою вища, ніж тунельного, тобто наступає тунельний пробій. Для проміжних значень домішок пробій p-n переходу обумовлений двома механізмами.

Тепловий пробій виникає в результаті розігріву p-n переходу, коли кількість теплоти, яка виділяється струмом в p-n переході, перевищує кількість теплоти, яка від цього переходу відводиться. При розігріві p-n переходу відбувається інтенсивна генерація електронно-діркових пар та збільшення оберненого струму через p-n перехід Це, в свою чергу, призводить до подальшого підвищення температури і збільшення оберненого струму. В результаті струм через p-n перехід лавиноподібно зростає і настає тепловий пробій.

Напруга теплового пробою тим нижча, чим більший тепловий струм. Тому в германієвих p-n переходах тепловий пробій наступає раніше, ніж лавинний, а в кремнієвих - навпаки.

Температура p-n переходу при тепловому пробої

,

де T_н.с – температура навколишнього середовища; α_I – температурний коефіцієнт оберненого струму.

Значення α_I становить звичайно біля 0.1К^–1, тобто при тепловому пробої температура p-n переходу перевищує температуру навколишнього середовища всього приблизно на 10К.

Потрібно зауважити, що один вид пробою може наступити як наслідок іншого. Наприклад, при високих температурах навколишнього середовища пробій кремнієвого p-n переходу може розпочинатися як лавинний, а відтак при збільшенні оберненого струму перейти у тепловий.