15. Механизмы пробоя n-р перехода

В случае обратного включения в реальном n-р переходе при достижении

некоторого значения обратного напряжения U_прначинается резкоевозрастание тока, приводящее к пробою перехода. Пробоем называют резкоеувеличение тока через переход в области обратных напряжений, превышающих напряжение пробоя. Существует несколько физическихмеханизмов пробоя n-р перехода: туннельный,лавинный,тепловой,

поверхностный,

каждый из которых характеризуется напряжением пробоя (U_тп, U_лн, U_тпп) и величиной критического напряжения (U^*). Параметр U* определяет границу между обратимым и необратимым пробоем. В случае, когда величина обратного напряжения, приложенного к переходу, лежит в диапазоне U[U_тп, U_лп, U_тпп…U^*], пробой является обратимым и с уменьшением обратного напряжения свойства перехода восстанавливаются. При U > U^* пробой является необратимым т.к. уменьшение напряжения ведет к росту обратного тока и к физическому разрушению (расплавлению) перехода.

Туннельный пробой возникает в переходах между сильно легированными областями при условии, когда ширина n-р перехода соизмерима с длиной волны де-Бройля свободных носителей. Если p и n области сильно легированы, то ширина ОПЗ становится малой и за счет туннельного эффекта появляется конечная вероятность для электронов из валентной зоны проникнуть в зону проводимости, преодолев барьер, который возникает в сильном электрическом поле. Для туннельного эффекта характерно то, что электроны после преодоления энергии не изменяют своей энергии, следовательно, для того чтобы этот эффект имел место, электрическое поле должно быть настолько сильным, чтобы обеспечить наклон зон, при котором заполненные электронами уровни валентной зоны находятся напротив незаполненных энергетических уровней разрешенной зоны.

Рис. 9.5. ВАХ n-p перехода: идеального - штриховая линия и реального - сплошная линия

Поскольку туннельный механизм перехода носителей имеет место только при малой ширине ОПЗ, то для этого типа пробоя характерны невысокие пробивные напряжения (кривая 4 на рис. 9.5). К отличительным особенностям туннельного пробоя следует также отнести сравнительно слабую зависимость напряжения пробоя от температуры, так как влияние температуры на напряжение туннельного пробоя связано, в основном, с изменением ширины запрещенной зоны.

Лавинный пробой возникает в результате лавинной ударной ионизации атомов полупроводника в обедненном слое носителями заряда, ускоренными электрическим полем. Данный тип пробоя, в отличие от туннельного, преимущественно реализуется в широких n-р переходах при высоких обратных напряжениях (кривая 5 на рис. 9.5).

Напряжение возникновения лавинного пробоя растет с увеличением ширины запрещенной зоны полупроводника и температуры перехода.

Тепловой пробой связан с разогревом n-р перехода при прохождении обратного тока в условиях, когда тепловыделение не компенсируется теплоотводом. При увеличении обратного напряжения увеличивается и мощность, рассеиваемая в переходе в виде тепла, поэтому разогрев перехода обратными токами в свою очередь приводит к увеличению обратного тока за счет дополнительной генерации неосновных носителей. Возрастание обратного тока приведет к дополнительному выделению тепла и соответственно дополнительному разогреву, что явится причиной дальнейшего увеличения обратного тока. Таким образом, в n-р переходе возникает положительная обратная связь, которая приводит к возникновению тепловой неустойчивости тепловому пробою, характерной особенностью которого является наличие участка ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис. 9.5). В отличие от туннельного и лавинного пробоя, тепловой пробой приводит к практически мгновенному разрушению перехода и поэтому является необратимым.

Поверхностный пробой возникает в местах выхода n-р перехода на поверхность кристалла и может быть связан с неравномерностью электрического поля, особенностями диэлектрических свойств среды на границе с полупроводником, наличием загрязнений на поверхности и другими факторами.