Пробой p-n-перехода

Если увеличивать обратное напряжение, то может наступить режим, когда ток через переход резко возрастает при малом изменении напряжения, то есть наблюдается пробой p–n перехода. Различают электри­ческий и тепловой пробои. Электрический пробой является обратимым, то есть при снижении обратного напряжения свойства p–n перехода восстанавливаются. Тепловой пробой – процесс необратимый, то есть свойства p–n перехода при снижении обратного напряжения уже не восстанавливаются вследствие повреждения структуры диода.

Электрический пробой может быть лавинным илитуннельным, что в значительной степени определяется концентра­цией примеси в базовой области и профилем легирования, от которых, в свою очередь, зависят толщина слоя объемного заряда и электри­ческое поле в области перехода.

Лавинный пробой обычно наблюдается в p–n переходах с относительно большой толщиной обедненного слоя от долей микрометра до нескольких микрометров. Для резких переходов он имеет место при концентрации примеси в базовой области порядка 10¹⁴ –10¹⁷ см^-3. При лавинном пробое, носители заряда под действием сильного электрического поля в области перехода на длине свободного пробега между столкновениями с атомами решетки приобретают энергию, достаточную для ионизации атома. Образую­щиеся при этом электроны и дырки ускоряются полем и снова иони­зируют атомы материала. В результате развивается электронно – дыроч­ная лавина и ток через переход резко увеличивается. Это вертикальный отрезок ВАХ используют еще и в стабилитронах (Участок 2, рис. 2.11). Стабилитроны часто используются в качестве опорных источников напряжения. При обратном включении стабилитрона последовательно с резистором, падение напряжения на стабилитроне остается почти постоянным, равным напряжению электрического пробоя - Uпр. Это напряжение Uпр. почти не изменяется, даже в том случае, если меняется внешнее напряжение, приложенное к цепи. Для этого выбирают рабочую точку на ВАХ в середине участка 2. Для ВАХ, изображенной на рисунке 2.11, ток в рабочей точке будет равен примерно 1 мВ. Такое свойство стабилитрона, часто используют в стабилизированных источниках напряжения. Следует отметить, что почти все электронные устройства, в том числе и СВЧ, требуют стабилизированного питающего напряжения.

Рис. 2.11. Условное обозначение стабилитрона, и его вольт – амперная харак­теристика

Пробивное напряжение для резкого перехода увеличивается при уменьшении концентрации примеси в базовой области, поскольку при этом возрастает толщина перехода и умень­шается максимальное значение напряженности электрического поля. Поэтому, каждый тип стабилитрона обладает своим значением Uпр., которое указывается в справочнике. Для лавинного пробоя характерны напряжения в десятки вольт. С повы­шением температуры пробивное напряжение при лавинном пробое увеличивается, поскольку уменьшаются средняя длина свободного пробега и энергия, которую набирают носители заряда между соуда­рениями.

В переходах с малой толщиной обедненной области более вероятно возникновение туннельного пробоя, связанного с прохождением электро­нов сквозь потенциальный барьер из валентной зоны на свободные уровни зоны проводимости. Туннелирование возможно при малой ширине потенциального барьера, причем вероятность процесса воз­растает с ростом напряженности электрического поля. При некоторой критической напряженности поля туннельный ток перехода превышает тепловой. Значения критической напряженности электрического поля составляют примерно 8*10⁵ В/см для Si и около 3*10⁵ В/см для Ge. Туннельный пробой наблюдается в переходах, изготовленных из мате­риалов с большой концентрацией примеси. Для него характерны небольшие пробивные напряжения, обычно С_проб < 15 В. Пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с ростом температуры.

Туннельный пробой, как и лавинный, является обратимым. Он не приводит к изменению структуры перехода и может быть многократно воспроизведен. Наиболее часто его наблюдают в Si и GaAs, а также в Ge с большой концентрацией примеси.

Тепловой пробой может привести к необратимым изменениям пере­хода и выходу его из строя за счет выделения большого количества теплоты (Участок 3, рис. 2.11)., так как при увеличении напряжения и тока возрастает мощ­ность, выделяющаяся в переходе

P = Uпр. Iобр.

Повышение температуры перехода приводит к росту обратного тока и дальнейшему росту температуры и тока.

Электрический пробой при большой рассеиваемой в переходе мощности, также может переходить в тепловой пробой. Особенностью теплового, как и лавинного, пробоя является локализация его в отдель­ных «слабых» местах перехода, содержащих большое количество дефек­тов. Ток этих участков, называемых шнурами или каналами высокой проводимости, может значительно превышать усредненное значение по всей площади перехода.