- •В.И.Елфимов, н.С.Устыленко основы теории p-n перехода
- •Основы теории p-n перехода.
- •Оглавление
- •1. Физические процессы в p-n переходе 7
- •Введение
- •1. Физические процессы в p-n переходе
- •1.1. Понятие электронно-дырочного перехода
- •1.2. Равновесное состояние p-n перехода
- •1.2.1. Образование p-n перехода
- •Диаграмма 1
- •Диаграмма 5
- •1.2.2. Токи в p-n переходе в равновесном состоянии
- •1.2.3. Контактная разность потенциалов
- •1.2.4. Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии
- •1.3. Неравновесное состояние p-n перехода
- •1.3.1. Прямосмещенный p-n переход
- •1.3.2. Обратносмещенный p-n переход
- •2. Идеальный p-n переход
- •2.1 Основные соотношения для идеального p-n перехода
- •2.2. Вольтамперная характеристика идеального p-n перехода
- •3. Вольтамперная характеристика реального p-n перехода
- •3.1. Прямая ветвь вах реального p-n перехода
- •3.2. Обратная ветвь вах реального p-n перехода
- •4. Виды пробоев p-n перехода
- •4.1. Общая характеристика пробоя p-n перехода
- •4.2. Тепловой пробой p-n перехода
- •4.3. Полевой пробой
- •4.4. Лавинный пробой
- •5. Вопросы для самопроверки
- •Список литературы
- •Основы теории p-n перехода
4.4. Лавинный пробой
Лавинный пробой относится к электрическому виду пробоя и проявляется в p-n переходах средней величины, то есть ширина p-n перехода достаточна большая. При увеличении значения обратного напряжения на p-n переходе напряженность электрического поля E = UОБР/lОБР (В/см) растет. Когда напряженность электрического поля достигает критического значения EКР = (80120) кВ/см, то создаются условия для ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника непосредственно в p-n переходе быстрыми электронами или дырками, которые получили достаточное ускорение за счет действия напряженности электрического поля p-n перехода. Механизм ударной ионизации нейтральных атомов p-n перехода иллюстрируется на рис.27.
В результате ударной ионизации генерируются новые пары носителей заряда, которые, в свою очередь, ускоряясь под действием напряженности электрического поля, вновь при столкновении с нейтральными атомами полупроводника образуют новые электронно-дырочные пары. Ионизацию нейтральных атомов совершают только те электроны и дырки, которые на длине свободного пробега электрона набирают за счет напряженности электрического поля энергию, достаточную для ионизации. Поэтому ширина p-n перехода должна быть достаточна большая, а именно много больше длины свободного пробега электрона : lОБР .
Рис.27
С ростом UОБР увеличивается ширина p-n перехода и напряженность электрического поля в нем, электроны разгоняются сильнее, резко возрастает число ионизаций, совершаемых каждым электроном, и ток p-n перехода лавинообразно растет.
Напряжение лавинного пробоя определяется из соотношения
UПРОБ=АбВ,
где б - удельное электрическое сопротивление базы диода; А, В - коэффициенты, зависящие от материала и типа электропроводности полупроводника, их значения указаны в таблице .
-
Материал и тип перехода
А
В
Германиевый переход, база p-типа
52
0,6
Германиевый переход, база n-типа
83
0,6
Кремниевый переход, база p- типа
23
0,75
Кремниевый переход, база n- типа
86
0,65
Так, например, для базы p-n перехода n-типа
,
где е – заряд электрона;
n – подвижность электронов;
nn – концентрация электронов - основных носителей заряда полупроводника n-типа.
Чем меньше концентрация примесей в базе p-n перехода, тем выше ее удельное электрическое сопротивление, шире p-n переход, меньше в нем напряженность электрического поля и соответственно более высокое значение напряжения лавинного пробоя. Эмпирические коэффициенты А и В различны не только для p-n переходов из разных материалов, но и для переходов из одного и того же материала с разными типами электропроводности базы (p+-n и n+-p). Связано это различие в коэффициентах с тем, что подвижность электронов отличается от подвижности дырок в одном и том же материале.
Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с лавинным пробоем представлена на рис.28.
Лавинный пробой характерен для p-n переходов с напряжением пробоя более 7 В.
Зависимость 1 рис.28 соответствует температуре окружающей среды T1 = +20С. С увеличением температуры окружающей среды лавиннный пробой наступает при большем напряжении (UПРОБ2 UПРОБ1). Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки полупроводника и уменьшается длина свободного пробега носителей заряда , а значит, и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в
электрическом поле. Поэтому для получения энергии, необходимой для ударной ионизации нейтральных атомов, требуется большая напряженность электрического поля в p-n переходе, и, следовательно, напряжение лавинного пробоя возрастает.
С другой стороны, при увеличении температуры уменьшается подвижность носителей заряда полупроводника, растет удельное электрическое сопротивление базы p-n перехода, а в соответствии с соотношением
UПРОБ б
напряжение лавинного пробоя также возрастает.
На рис.28 зависимость 2 изображена для температуры окружающей среды T2 = +50С. Таким образом, температурный коэффициент напряжения при лавинном пробое имеет положительное значение:
ТКНЛАВ = UПРОБ/Т 0,
где UПРОБ = UПРОБ2 – UПРОБ1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину Т при фиксированном значении обратного тока.
Рис.28