5.5.Пробой электронно-дырочного перехода
При больших обратных напряжениях происходит пробой p-n-перехода – резкое увеличение обратного тока (участок на рис.4.3). В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различаютлавинный, туннельный и тепловойвиды пробоя.
Лавинный пробой – это пробой, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Неосновной носитель заряда, попав в сильное электрическое поле, ускоряется до такой степени, что приобретает энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар; вновь образованные электроны и дырки, в свою очередь, ускоряются и могут вызвать появление новых электронов и дырок. Таким образом, происходит лавинное размножение носителей заряда. При таком виде пробоя обратное напряжение остается почти постоянным. Лавинный пробой (при ограничении тока) носит обратимый характер и не приводит к разрушению p-n-перехода.
Обратное напряжение может оставаться постоянным и при другом виде пробоя – туннельном. При туннельном пробое электроны проходят сквозь узкий потенциальный барьерp-n- перехода за счет волновых свойств. Туннельный пробой – это пробой, вызванный квантово-механическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещенную зону полупроводника без изменения энергии.Условия для туннелирования возникают только в тонких p-n-переходах при превышении некоторого критического напряжения. Следовательно, туннельный пробой может происходить только в p-n-переходах, изготовленных в полупроводниках с большой концентрацией примесей. Туннельный пробой, как и лавинный, носит обратимый характер и не приводит к разрушению p-n-перехода. Лавинный и туннельный виды пробоев характерны для p-n-переходов на основе кремния.
Тепловой пробой – это пробой, развитие которого сопровождается выделением теплоты вследствие прохождения тока через p-n-переход. При развитии пробоя с ростом тока напряжение не остается постоянным – оно уменьшается. Этот вид пробоя необратим, он приводит к разрушению прибора. Тепловой пробой чаще развивается в германиевых приборах. Однако при повышенной температуре или плохом теплоотводе лавинный или туннельный пробой кремниевого прибора может перейти в теплой.
При лавинном и туннельном механизмах пробоя обратное напряжение почти не меняется при возрастании обратного тока. Это свойство используется в полупроводниковых стабилитронах. Полупроводниковый стабилитрон- это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.
5.6. Туннельный эффект в вырожденном электронно-дырочном переходе. Туннельные и обращенные диоды
В рассмотренных выше приборах носители преодолевали этот барьер p-n-перехода, имея соответствующую энергию. В туннельныхиобращенныхдиодах p-n-переход изготовлен настолько узким за счет высокой степени легирования p-и -n-областей, что электроны могут проходить сквозь него за счет волновых свойств (туннельный эффект). Следствием высокой концентрации примесей является, во-первых, малая толщина перехода (примерно в 100 раз меньше, чем в других типах полупроводниковых диодов), а во-вторых, расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости вn– области и к валентной зоне вp- области. Уровни Ферми при этом оказываются расположенными в разрешенных зонах (рис.5.4а), аэлектронный газ становится вырожденным. Самполупроводник и p-n- переход также называют в этом случае вырожденными.
В туннельных диодах и прямой ток при небольших напряжениях и обратный ток обусловлены туннельным эффектом.
Процесс формирования вольт-амперной характеристики туннельного диода можно проследить по рис.5.4. Если напряжение на p-n-переходе равно нулю, ток также равен нулю, так как число туннельных переходов
справа налево и слева направо (рис.5.4 а) одинаково. При приложении небольшого прямого напряжения изгиб энергетических зон уменьшается, свободные энергетические уровни p-области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте с энергетическими уровнямиn-области, занятыми электронами (рис.5.4 б). Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов изn-области вp-область. При некотором («пиковом») напряжении на диоде свободные энергетические уровни валентной и примесной зонp-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами уровнями зоны проводимости и примесной зоны - в этом случае туннельный ток будет максимальным (рис 5.4 в).
При дальнейшем увеличении прямого напряжения туннельный ток будет уменьшаться, так как при еще меньшем изгибе зон число электронов (в n-области), находящихся на одной высоте со свободными уровнями (p-области), уменьшается (рис.5.4 г). Туннельный ток окажется равным нулю при еще большем прямом напряжении (рис. 5.4 д), когда для свободных электроновn-области не будет свободных уровней вp-области. Однако при этом через диод будет проходить прямой ток, обусловленный переходом носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер, то есть инжекционный ток. С дальнейшим увеличением прямого напряжения прямой ток будет возрастать, как и в обычных выпрямительных диодах (рис.5.4 е).
В результате на прямой ветви вольт-амперной характеристики появляется участок отрицательного дифференциального сопротивления, когда с ростом напряжения ток падает. Эта особенность вольт-амперной характеристики является самым интересным свойством туннельных диодов. Обратный ток имеет туннельный механизм, обратный ток сильно увеличивается с ростом обратного напряжения, участка насыщения, как в обычных диодах, на обратной ветви вольт-амперной характеристики нет. Туннельные диоды используют в генераторных, усилительных, переключающих схемах.
В обращенных диодах(рис.5.5) используется такая концентрация примесей, что при обратном смещении возникает туннельный эффект, а при прямом – нет. В этом случае при небольших значениях напряжения обратный ток (туннельный) намного больше прямого (инжекционного). Таким образом, пропускное и запирающее направления в данном виде приборов обращены по сравнению с другими диодами. Отсюда и название этих приборов - обращенные диоды. Эти диоды обладают высоким быстродействием, так как не происходит накопления носителей в базовых областях, поэтому они используются при работе на высоких частотах, вплоть до СВЧ-диапазона.