Пробой электронно-дырочного перехода

Повышение Uобр до определенного значения (точка 2 на рис.4), называемого напряжением пробоя Uпроб, приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления Rобр и, соответственно, росту Iобр.

Различают электрический и тепловой пробои p-n–перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный (полевой) и лавинный пробои (рис.5).

В обоих случаях (электрический и тепловой пробои) резкий рост тока связан с увеличением числа зарядов в переходе. При электрическом пробое число зарядов в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов кристаллической решетки, при тепловом пробое – за счет тепловой.

Величина напряжения Uпроб зависит от материала полупроводника p-n-перехода, степени легирования и может иметь значение от единиц до сотен вольт.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n-переходе. Такой пробой является обратимым, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например, в таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой (рис.5) происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n-переходы возможны только при высокой концентрации примесей в полупроводнике. Для туннельного пробоя характерен резкий рост Iобр при незначительном Uобр – обычно несколько вольт.

Лавинный пробой (рис.5) заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные заряды в p-n-переходе ускоряются настолько, что способны выбить из атома валентный электрон, сделав его свободным. При этом образуется пара зарядов – свободный электрон - дырка. Образовавшиеся свободные электроны тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон - дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока Iобр при практически неизменном напряжении Uобр.

На рис.4 приведена ВАХ перехода у которого наблюдается лавинный пробой (участок 1-2-3). В точке 2 обратный ток очень резко (лавинообразно) возрастает.

Тепловой пробой (рис.5) возникает при перегреве p-n-перехода большим обратным током Iобр, когда отводимое от p-n -перехода тепло^[2] меньше выделяемого в нем тепла.

При протекании постоянного тока, мощность, подводимая к переходу, определяется обратным напряжением и обратным током: Pподв = IобрUобр. Эта мощность идет на разогрев перехода, в результате чего температура перехода Тп возрастает. При нагреве перехода происходит интенсивная генерация пар зарядов – свободный электрон-дырка, т.е. растет Iобр.

Тепловой пробой развивается лавинообразно, поскольку увеличение Iобр за счет нагрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту Iобр и т.д.

Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности p-n-перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим Iобр. В результате данный участок p-n-перехода расплавляется и прибор приходит в негодность.

Примечание: пробой сопровождается переходом диода в негодное состояние лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в диоде, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Более того, для некоторых типов диодов пробой является основным рабочим режимом, например, для стабилитронов.

Участок теплового пробоя на вольт-амперной характеристике (участок характеристики за пределами точки 3 на рис.4) соответствует росту Iобр при одновременном уменьшении Uобр на p-n-переходе.

Тепловой пробой может возникнуть: при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также при плохом теплоотводе.

Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, напряжении.

Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур ∆T = Tмакс – Tмин и допустимое Uобр.доп. (примерно 0,8 от Uпроб). Допустимое Uобр.доп. тем больше, чем меньше Iобр, ниже температура окружающей среды Токр и чем выше максимально допустимая температура перехода Тп.макс.

Напряжение теплового пробоя тем ниже, чем больше тепловой обратный ток (рис.5). В Ge p-n-переходах Iобр велик, поэтому при большом Uобр сразу наступает тепловой пробой, приводящий переход в негодность.

В Si и GaAs p-n-переходах Iобр весьма мал и напряжение теплового пробоя больше напряжения пробоя для лавинного пробоя.

При высоких температурах окружающей среды пробой может начаться как лавинный, а затем при увеличении Iобр перейти в тепловой.

3. Ёмкости электронно-дырочного перехода (p-n – перехода).

При рассмотрении физических процессов в р-n–переходе было показано, что в запирающем слое по обе стороны от металлургической границы существуют объёмные неподвижные заряды ионов примесей, а также проникающие в запирающий слой подвижные заряды – электроны и дырки.

Кроме того, при подключении к переходу внешнего напряжения, изменяются концентрации подвижных зарядов вблизи границ запирающего слоя и изменяется толщина (ширина) запирающего слоя.

Наличие различных по знаку электрических зарядов по обе стороны от металлургической границы можно представить электрической ёмкостью, которую называют ёмкостью p-n - перехода – Сpn.

Количество неподвижных зарядов – ионов примесей, в переходе изменяются в зависимости от приложенного к переходу напряжения Uпр или Uобр, так как изменяется ширина запирающего слоя d, а также изменяются концентрация основных и неосновных подвижных зарядов вблизи границ перехода. Поэтому в общем случае емкость перехода является функцией напряжения Сpn = f (U).

Величины объёмных подвижных и неподвижных зарядов непосредственно в запирающем слое и за его пределами различным образом зависят от приложенного к переходу напряжения.

В связи с этим принято рассматривать ёмкость перехода Сpn как состоящую из двух величин

Сpn = Сбар + Сдиф.

Одну из этих величин Сбар, характеризующую перераспределение неподвижных зарядов – ионов примеси в запирающем слое, называют барьерной (зарядной) ёмкостью.

Вторая составляющая Сдиф – диффузионная ёмкость – отображает перераспределение подвижных зарядов у границ перехода в результате процессов инжекции и экстракции.

Деление ёмкости на барьерную и диффузионную является условным, но величины их сильно отличаются – Сдиф ≫ Сбар. Поэтому практически понятие барьерной ёмкости удобнее использовать для обратносмещённого p-n – пе­рехода, а диффузионной - для прямосмещённого.

Роль диэлектрика у барьерной ёмкости выполняет запирающий слой, практически лишённый подвижных зарядов, т.е. обладающий большим сопротивлением.

Барьерную ёмкость для идеального p-n-перехода можно рассматривать как ёмкость плоского конденсатора

где ε₀ = 8,85∙10 ^{– 12} Ф/м – электрическая постоянная, ε - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала, Spn - площадь p-n–перехода, dpn – толщина запирающего слоя (ширина p-n–перехода).

Барьерная ёмкость изменяется при изменении напряжения на переходе, т.к. с увеличением Uобр толщина запирающего слоя dpn увеличивается, а с увеличением Uпр – толщина dpn уменьшается.

В общем случае зависимость барьерной ёмкости Сбар от приложенного напряжения (рис.7) можно определить по формуле

где С₀ = εε₀Spn / dpn – барьерная ёмкость перехода при Uвнеш = 0; Uк – контактная разность потенциалов p-n–перехода; Uвнеш – внешнее напряжение подставляемое в формулу с учётом знака (со знаком минус, если Uвнеш – обратное, со знаком плюс, если Uвнеш – прямое).

Значение барьерной ёмкости Сбар колеблется от десятков до сотен пФ.

В плоскостных p-n-переходах площадь делается большой, поэтому у них барьерная ёмкость велика.

У точечных p-n-переходов площадь перехода мала, поэтому барьерная ёмкость невелика и частотный диапазон гораздо шире, чем у плоскостных.

Диффузионная ёмкость С_диф отражает перераспределение подвижных зарядов у границ перехода в результате процессов инжекции и экстракции и может быть определена по формуле

где t - время жизни подвижных зарядов; I_пр - прямой ток через диод.

Cpn, пФ

Сдиф

C₀

Сбар

U_обр U_пр

Рис.7. Вольт-фарадная характеристика электронно-дырочного перехода

Значение диффузионной ёмкости Сдиф колеблется от сотен до тысяч пФ.

Диффузионная ёмкость также нелинейна (рис.7) и возрастает с увеличением U_пр. Диффузионная ёмкость является причиной инерционности полупроводниковых приборов при работе в диапазоне высоких частот.

Диффузионная ёмкость Сдиф значительно больше барьерной Сбар, но использовать её для практических целей нельзя, так как она зашунтирована малым сопротивлением Rпр прямосмещённого p-n–перехода.

[1] другие названия дрейфового тока – ток тепловой I ₀ , ток проводимости, ток насыщения, обратный ток I _ОБР.

[2] Мощность тепла Θ, выделяемого в веществе при протекании электрического тока I, в соответствии с законом Джоуля - Ленца определяется по формуле Θ = I²Rt, где R – сопротивление вещества, t – время протекания тока.