5.5.5. Пробой p-n перехода.

Пробой р-n-перехода. При непре­рывном увеличении обратного напряжения, в конце концов, достигается та­кое его значение, при котором сопротивление запирающего слоя резко падает, вследствие чего обратный ток резко, практически скачкообразно, возрастает. Это явление получило название пробоя р-n перехода. В зависимости от природы физических процессов, обусловливающих резкое возрастание обратного тока, различают тепловой, туннельный и лавинный пробой.

П ри достаточно высокой напряженности электрического поля в p-n-переходе может возникнуть ударная ионизация полупровод­ника, сопровождающаяся лавинным нарастанием концентрации но­сителей и приводящая к лавинному его пробою; характер нарастания обратного тока при этом виде пробоя показан на рис. 4.58 кривой 2. В основе явления лавинного пробоя лежит «размножение» носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома по­лупроводника. В результате рождается новая пара электрон-дырка, и процесс повторяется уже с участием новых носителей (рис. 4.59а). Обратный ток при этом, естественно, возрастает. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер, подобно самостоятельному разряду в га­зе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротив­лением.

Ход вольт-амперной характеристики в области «размножения» вплоть до пробоя описывается полуэмпирической формулой:

(5.104)

где М – коэффициент ударной ионизации; I и U – модули обрат­ных тока и напряжения; (U_M – напряжение лавинного пробоя (при котором М = ).

Лавинный пробой наблюдается при сравнительно малых концентрациях примесей, т.е. для толстых переходов.

Если p-n-переход является тонким, то уже при сравнительно не­высоком обратном смещении может возникнуть электрическое поле, достаточное для того, чтобы вызвать интенсивное туннельное проса­чивание электронов сквозь переход, приводящее к туннельному про­бою (рис.4.59б); зависимость i_o6 (V) для этого случая показана на рис. 4.58 кривой 3.

Одной из отличительных особенностей лавинного и туннельного пробоев является разный знак температурного коэффициента пробивного напряжения. Это объясняется тем, что напряжение туннельного пробоя нахо­дится в прямой зависимости от ширины запрещенной зоны, поэтому уменьшение ширины запрещенной зоны с ростом температуры вызывает уменьшение пробивного напряжения. Напря­жение лавинного пробоя находится в обратной зависимости от длины свободного пробега электрона, поэтому уменьшение этой величины с ро­стом температуры вызывает увеличение напряжения пробоя.

Тепловой пробой происходит в том случае, если теплота, выделяю­щаяся в р-n-переходе при протекании тока, отводится из него не пол­ностью и температура перехода повышается. Увеличение температуры вызывает рост концентрации носителей, увеличение обратного тока, что в свою очередь приводит к дальнейшему росту температуры и т. д. Результатом такого нарастающего про­цесса и является тепловой пробой. Характер нарастания обратного тока при таком пробое показан на рис. 4.58 кривой 1.

Напряжение теплового пробоя зависит от величины обратного тока. Поэтому в полупроводниках с небольшой запрещенной зоной, например, в германии тепловой пробой наступает раньше, чем туннельный или лавинный. В полупроводниках с большей запрещенной зоной, например, кремнии напряжение теплового пробоя превышает значение теплового и туннельного пробоев. Пробой может также начаться по туннельному или лавинному механизму, а затем перейти в тепловой.