4. Пробой p-n-перехода

С увеличением внешнего обратного напряжения растет напряженность электрического поля внутри p-n-перехода:

, (2.13)

где U=₀ + U_обрU_обр, когдаU_обр>>₀, аdможно выразить по формуле (2.4).

Т.о. при увеличении внешнего обратного напряжения растет напряженность электрического поля вp-n-переходе не смотря на увеличение его ширины. Напряженность электрического поля внутриp-n-перехода растет и с увеличением концентрации примесей.

Начиная с некоторого значения U_обрпроисходитпробой р-n-перехода, который выражается в резком увеличении обратного тока (рис.2.6).

Виды пробоя p-n-перехода:

1. туннельный пробой;

2. лавинный пробой;

3. тепловой пробой;

4. поверхностный пробой.

Туннельный пробойнаблюдается в узкихp-n-переходах с высокой напряженностью электрического поля (порядка 10⁵В/см). Под действием сильного электрического поля становится возможным преодоление электронами потенциального барьера. Напряжение туннельного пробоя лежит в пределах 3,3В.

Лавинный пробойхарактерен для широкихp-n-переходов из низколегированных полупроводниковых материалов и основан на эффекте лавинного умножения носителей тока, ускоряемых полем перехода. Неосновные носители заряда, обладающие достаточной энергией, при попадании вp-n-переход могут выбить электрон из ковалентной связи атома кристаллической решетки в результате столкновения с ним. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда, которые, ускоряясь полем, могут произвести очередной разрыв связей. Этот процесс образования пар электрон-дырка внутриp-n-перехода происходит лавинообразно и характеризуется коэффициентом лавинного умножения М1. Лавинный пробой происходит при напряжениях больше 8В.

Лавинный и туннельный пробои относятся к так называемым электрическим побоям, особенностью которых является обратимость (при снятии внешнего напряжения свойства перехода восстанавливаются). На рис.2.6. электрическому пробою соответствует участок ВС. Если не ограничить ток при электрическом пробое, он может перейти в тепловой пробой.

Тепловой пробойобусловлен выделением тепла в переходе в процессе протекания обратного тока при большом обратном напряжении. Тепловой пробой происходит, если отводимая мощность меньше выделяемой мощности Р =I_обрU_обр. За счет повышения температуры происходит интенсивная термогенерация носителей в переходе, что вызывает увеличение обратного тока. Это приводит к дальнейшему увеличению температуры и обратного тока. В результате ток через переход лавинообразно увеличивается, что приводит к разогреву участка перехода, и в итоге происходит расплавление этого участка. Такой процесс является необратимым. На рис.2.6. тепловому пробою соответствует участокCD.

Поверхностный пробойсвязан с выходомp-n-перехода на поверхность.

5. Прямое включение p-n-перехода

Прямое включение p-n-перехода осуществляется подачей внешнего напряжения положительным потенциалом к области р, отрицательнымк областиn. Напряженность внешнего электрического поля направлена противоположно напряженности внутреннего поляp-n-перехода (см. рис.2.7).

Это приводит к уменьшению результирующего поля в p-n-переходе, которое определяется разностьюU=₀ – U_пр. Т.о. высота потенциального барьераp-n-перехода уменьшается, и, следовательно, увеличивается диффузионная составляющая тока. При этом обусловленную неосновными носителями заряда дрейфовую составляющую тока, которая зависит только от температуры, можно считать неизменной. Разность диффузионного и дрейфового токов определяет результирующий прямой ток через переход:

J_пр=J_диф - J_др. (2.14)

С ростом приложенного внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается (т.к. уменьшается потенциальный барьер), поэтому возрастает прямой ток через переход.

Т.к. распределение носителей зарядов по энергетическим уровням экспоненциально зависит от приложенного прямого напряжения (см. (1.8), (1.9)), то и диффузионная составляющая тока также будет иметь экспоненциальный характер зависимости от приложенного напряжения. Тогда уравнение вольт-амперной характеристики p-n-перехода будет иметь вид:

, (2.15)

где I_нток насыщения, равный по величине диффузионной и дрейфовой составляющим тока при отсутствии внешнего напряжения (I_н=I_диф= I_др);k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; q - заряд электрона; U_пр- приложенное внешнее напряжение с учетом знака (прямое со знаком "+"; обратное со знаком "-");_Ттемпературный потенциал:

. (2.16)

Это уравнение справедливо и для прямого и для обратного включенияp-n-перехода.

Т.о. прямая ветвь вольт-амперной характеристики p-n-перехода будет иметь экспоненциальный характер зависимости от приложенного напряжения (рис.2.8).

Прямой ток в p-n-переходе создается движением основных носителей заряда, концентрация которых намного выше концентрации неосновных носителей, движение которых создает обратный ток. Следовательно,p-n-переход обладает ярко выраженными вентильными свойствами, т.е. он проводит ток в прямом направлении намного лучше, чем в обратном. На рис.2.9. представлена полная вольт-амперная характеристикаp-n-перехода.

Изменение температуры окружающей среды приводит к деформированию вольт-амперной характеристикиp-n-перехода. При увеличении температуры прямая ветвь вольт-амперная характеристики приближается к оси токов, а обратнаяудаляется от оси напряжений (рис.2.9.). Для количественной оценки влияния температуры на вольт-амперную характеристику p-n-перехода вводят температурный коэффициент напряжения (Т.К.Н.), характеризующий изменение напряжения на переходе под действием температуры при фиксированном прямом токе:

. (2.17)

Для германия (Ge)= -(1,22)мВ/град; для кремния (Si) = -(1,23)мВ/град. В общем случае принимают2,2мВ/град.

Обратный ток p-n-перехода сильно зависит от температуры, и для него справедлива зависимость:

,(2.18)

где t=t – t₁;постоянный коэффициент.

Для германия _Ge= (0,050,07); для кремния_Si= (0,050,09).

Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды можно пользоваться упрощенным выражением:

,(2.19)

Обратный ток для германиевых переходов меняется в 2 раза на каждые 10 градусов (t^*=10), а для кремниевых переходовв 2 раза на каждые 7 градусов (t^*=7).