5. Пробой электронно-дырочного перехода

При достаточно большом напряжении на электронно-дырочном переходе может произойти резкое увеличение обратного тока. Это явление называют пробоем электронно-дырочного перехода. Напряжение пробоя ограничивает допустимое обратное напряжение на полупроводниковом приборе.

Пробой р-п перехода объясняется большой энергией направленного движения, которую приобретают электроны, проходя через слой пространственного заряда. Эта энергия может существенно превосходить энергию теплового движения. В том случае, когда энергия направленного движения электронов приближается к ширине запрещенной зоны ΔW_зз, она становится достаточной для ионизации собственных атомов кристаллической решетки. Возникшие в результате ионизации дополнительные носители заряда (электроны и дырки) приобретают такую же избыточную энергию, как исходные, что способствует резкому нарастанию скорости процесса ионизации. Это приводит к значительному увеличению концентрации носителей заряда обоих знаков, а, следовательно, к увеличению обратных токов р-п перехода.

В зависимости от характера физических процессов, обусловливающих резкое возрастание обратного тока, различают три основных типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой.

5.1. Лавинный пробой

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией. Неосновные носители заряда, входящие в р-п переход, могут в самом переходе под действием электрического поля получить ускорение на длине свободного пробега и накопить энергию, достаточную для возбуждения электронов сначала из примесных атомов, а при дальнейшем увеличении напряженности электрического поля и из узлов основной решетки полупроводника. Свободный электрон, обладающий достаточно высокой собственной энергией, соударяясь с нейтральным атомом, ионизует его, то есть создает дополнительный носитель заряда. При этом кинетическая энергия электрона должна быть настолько велика, что после возбуждения другого электрона он сохранит энергию, не меньшую энергии дна зоны проводимости. Вновь образованные заряды, разгоняясь на длине свободного пробега, также могут ионизовать нейтральные атомы, что в конечном итоге приводит к лавинообразному увеличению концентрации носителей заряда.

Таким образом, ударная ионизация может увеличивать концентрацию свободных носителей полупроводника в том случае, если ионизующий свободный электрон, возбудив связанный электрон, останется сам в возбужденном состоянии. Аналогичные условия имеют место и для дырок в валентной зоне.

При образовании дополнительных свободных электронов в результате ударной ионизации появляются одновременно пустые примесные уровни (дырки). Вновь образовавшиеся носители заряда так же могут ускориться в поле р-п перехода и ионизовать новые атомы. Образуется электронная лавина.

Способность носителя образовывать электронно-дырочные пары характеризуется коэффициентом ионизации, определяемым как число электронно-дырочных пар образуемым носителем на единице пути. Коэффициент ионизации зависит от напряженности электрического поля и различен для разных материалов.

Обозначим коэффициент ионизации для электронов α, а коэффициент ионизации для дырок – β. Коэффициент ионизации для дырок в к раз больше, чем для электронов.

Зависимость коэффициентов ионизации от напряженности поля определяется законом:

; .

Таким образом, в результате ударной ионизации происходит умножение носителей заряда. Для характеристики этого явления вводится величина коэффициента умножения, определяемого отношением числа носителей какого-либо типа, выходящих из перехода, к числу носителей того же типа, входящих в переход.

Пусть n₁ – число электронов, входящих в переход, n₂ – число электронов, образованных на расстоянии х от границы перехода, n₃ – число дырок, образованных на расстоянии от х до второй границы перехода (рис. 5.1).

Тогда на участке от х до х+dx будет образовано электронами (n₁+n₂)αdx пар носителей, а дырками – n₃βdx. Общее изменение количества пар носителей заряда составит:

dn₂ = (n₁ + n₂)αdx + n₃βdx. (5.1)

Коэффициент умножения электронов определяется выражением

. (5.2)

Проинтегрировав выражение (5.1) с учетом уравнения (5.2), получим:

; .

Здесь

.

Условием пробоя является М = ∞, то есть

.

В результате ударной ионизации обратный ток становится равным

j_обр = Мj₀.

Таким образом, напряжение пробоя не зависит от типа носителей заряда.

Зависимость пробивного напряжения от удельного сопротивления довольно сложная и, как правило, рассчитывается по эмпирическим формулам:

для германия или ;

для кремния или .

Здесь ρ_п и ρ_р – удельные сопротивления п- и р-областей электронно-дырочного перехода, а U_проб – пробивное напряжение при лавинном пробое.

Коэффициент умножения можно рассчитать по упрощенной эмпирической формуле

.

Для германия п-типа b = 3, р-типа b = 5,1, для кремния b = 3.

Напряжение лавинного пробоя зависит от температуры. С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, в результате уменьшается энергия, которую приобретает носитель заряда на длине свободного пробега в электрическом поле. Поэтому лавинный пробой с увеличением температуры наступает при более высоком обратном напряжении.