Материал: Физические основы электроники

ток Iо иначе называют тепловым током.

При прямом напряжении внешнего источника (U вн 0 ) экспонен-

qUвн

циальный член e kT в выражении (1.16) быстро возрастает, что приводит к быстрому росту прямого тока, который, как уже было отмечено, в основном определяется диффузионной составляющей.

При обратном напряжении внешнего источника (U вн 0 ) экспо-

ненциальный член много меньше единицы и ток р–n-перехода практически равен обратному току Io , определяемому в основном дрейфовой

составляющей. Вид этой зависимости представлен на рис. 1.19. Первый квадрант соответствует участку прямой ветви вольт-ам-

перной характеристики, а третий квадрант – обратной ветви. При увеличении прямого напряжения ток р–n-перехода в прямом направлении вначале возрастает относительно медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания прямого тока, что приводит к дополнительному нагреванию полупроводниковой структуры. Если количество выделяемого при этом тепла будет превышать количество тепла, отводимого от полупроводникового кристалла либо естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения, то могут произойти в полупроводниковой структуре необратимые изменения, вплоть до разрушения кристал-

31

лической решетки. Поэтому прямой ток р–n-перехода необходимо ограничивать на безопасном уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого необходимо использовать ограничительное сопротивление, последовательно подключенное с p–n-переходом.

Лавинный пробой Туннельный

пробой

Iобр

Рис. 1.19. Вольт-амперная характеристика p–n-перехода

При увеличении обратного напряжения, приложенного к р–n-переходу, обратный ток изменяется незначительно, т. к. дрейфовая составляющая тока, являющаяся превалирующей при обратном включении, зависит в основном от температуры кристалла, а увеличение обратного напряжения приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей, без изменения их количества. Такое положение будет сохраняться до величины обратного напряжения, при котором начинается интенсивный рост обратного тока – так называемый пробой р–n-перехода.

1.7.4. Виды пробоев p–n-перехода

Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p–n-переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.

Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием электрический пробой, который является обратимым. К необратимым относят тепловой и поверхностный.

32

Лавинный пробой (рис. 1.20) свойственен полупроводникам со значительной толщиной р–n-перехода, образованного слаболегированными полупроводниками. При этом ширина обедненного слоя гораздо больше диффузионной длины носителей. Пробой происходит под действием

сильного электрического поля с напряженностью E 8 12 104 смВ .

В лавинном пробое основная роль принадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в р–n-переходе.

Эти носители испытывают со стороны электрического поля р–n-пере- хода ускоряющее действие и начинают ускоренно двигаться вдоль силовых линий этого поля. При определенной величине напряженности неосновные носители заряда на длине свободного пробега l (рис. 1.20) могут разогнаться до такой скорости, что их кинетической энергии может оказаться достаточно, чтобы при очередном соударении с атомом полупроводника ионизировать его, т. е. «выбить» один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару «электрон–дырка». Образовавшиеся носители тоже начнут разгоняться в электрическом поле, сталкиваться с другими нейтральными атомами, и процесс, таким образом, будет лавинообразно нарастать. При этом происходит резкий рост обратноготокаприпрактическинеизменномобратномнапряжении.

Параметром, характеризующим лавинный пробой, является коэффициент лавинного умножения M, определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля. Величина обратного тока после лавинного умножения будет равна

ние лавинного пробоя; n – коэффициент, равный 3 для Ge , 5 – для Si . Туннельный пробой происходит в очень тонких р–n-переходах, что

возможно при очень высокой концентрации примесей ( N 1019 см 3 ),

когда ширина перехода становится малой (порядка 0,01 мкм), и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает большой градиент электрического поля. Высокое значение напряженности электрического поля, воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводит к их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер

33

(рис. 1.21) из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии носителей заряда. Для туннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.

Рис. 1.20. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в p–n-переходе:

а – распределение токов; б – зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение при обратном смещении перехода

Рис. 1.21. Зонная диаграмма, иллюстрирующая туннельный пробой p–n-перехода при обратном смещении

34

Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.

Тепловым называется пробой р–n-перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла. С увеличением обратного напряжения и тока возрастает тепловая мощность, выделяющаяся в р–n-переходе, и соответственно температура кристаллической структуры. Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла и ослабевает связь валентных электронов с ними, возрастает вероятность перехода их в зону проводимости и образования дополнительных пар носителей «электрон–дырка». Если электрическая мощность в р–n-переходе превысит максимально допустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает, в кристалле происходит необратимая перестройка структуры и р–n-переход разрушается.

Для предотвращения теплового пробоя необходимо выполнение условия

где Pрасс max – максимально допустимая мощность рассеяния.

Поверхностный пробой. Распределение напряженности электрического поля в р–n-переходе может существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.

1.7.5. Емкость р–n-перехода

Изменение внешнего напряжения на p–n-переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя и соответственно накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого, p–n-переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого определяется как отношение изменения накопленного в p–n-переходе заряда к обусловившему это изменение приложенному внешнему напряжению.

35