6. Пробой р-п перехода

6.1. Механизм пробоя р-п перехода

Экспериментально установлено, что при повышении обратного напряжения до некоторой величины обратный ток диода возрастает. Это явление называется пробоем перехода, а соответствующее напряжение - напряжением пробоя.

Известно четыре основных механизма пробоя:

1) тепловой;

2) лавинный;

3) туннельный;

4) поверхностный.

Последний вид пробоя связан с изменением свойств полупроводника вблизи поверхности и сильно зависит от состояния поверхности. Если полупроводник в местах выхода перехода на поверхность покрыт диэлектриком достаточно высокого качества, поверхностный механизм пробоя не проявляется. Поверхностный пробой мы в дальнейшем рассматривать не будем.

Для определения напряжения пробоя следует рассчитать пробивные напряжения для каждого механизма в отдельности и выбрать из них наименьшее значение.

6.2. Тепловой пробой

При протекании обратного токе в р-п переходе выделяется тепло, в результате чего повышается температура перехода. Увеличение температуры приводит к возрастанию обратного тока и еще большему нагреву диода. Такая обратная связь может привести к неограниченному увеличению тока - пробою.

Рассмотрим тепловой баланс обратного смещения р-п перехода (). В состоянии теплового равновесия поглощаемая диодом мощность

(6.1)

должна быть равна рассеиваемой мощности

, (6.2)

где - обратный ток; - тепловое сопротивление диода.

Поскольку в кремниевых диодах обратный ток весьма мал и не вызывает обычно заметного разогрева перехода, тепловой пробой в основном имеет место в германиевых диодах, для которых в соответствия с (4,34) получим

Условие теплового баланса дает

. (6.3)

Графическое решение этого уравнения изображено на рис. 6.1 для четырех значении напряжения: . При точка соответствует состоянию устойчивого равновесия, а точка-состоянии неустойчивого равновесия. Действительно, при флуктуации температуры, например, в сторону ее увеличения, рассеиваемая мощность в состояниистановится больше поглощаемой, что приводит к уничтожению флуктуации. В состояниирассеиваемая мощность оказывается меньше поглощаемой, что приводит к увеличению флуктуации. Зависимость, построенная на основании графического решения уравнения (6.3), имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления, соответствующий неустойчивым состояниям, типа точки(рис.6.2). При напряжениидифференциальное сопротивление диода равно нулю. Абсолютная величина этого напряжения и есть напряжение теплового пробоя, так как ток при этом неограниченно нарастает.

Очевидно, при должны выполняться равенства:

,

Отсюда

, ,

где - перегрев перехода при прибое.

Решая полученную систему уравнений относительно и , находим:

, (6.4)

. (6.5)

Выражение (6.5) показывает, что тепловой пробой характерен для сравнительно мощных, в первую очередь германиевых, диодов с повышенным значением теплового тока. Для повышения напряжения теплового пробоя необходимо улучшать условия теплоотвода (снижать тепловое сопротивление).