Лавинный пробой

Лавинный пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля (но меньшем чем при туннельном пробое) при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.

Неосновные носители, попадающие в поле области объемного заряда, приобретают энергию, достаточную для разрыва валентной связи. При столкновении с решеткой кристалла они выбивают из связи валентные электроны. В результате этого также возникает парный заряд, увеличивающий ток через переход. Сопротивление перехода начинает падать, ток резко возрастает.

Рис. 3.18. Лавинный пробой:

а — схема размножения дырок;
б — обратная ветвь ВАХ диода в режиме лавинного пробоя

Этот процесс можно представить себе так же, как ударную ионизацию газа. Электрон и дырка (аналог положительного иона в газе), ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из валентных связей атома полупроводника, расположенного в области перехода. В результате рождается новая пара электрон-дырка и процесс может повторяться под действием этих новых носителей (рис. 3,18 а). Тогда суммарный обратный ток через переход окажется больше, чем в отсутствие такой ионизации. При достаточно большой напряженности поля, когда одна исходная пара носителей в среднем порождает несколько более одной новой пары, ионизация может приобрести лавинный характер подобно самостоятельному разряду в газе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением.

Для того чтобы носители заряда успели приобрести за время движения в переходе достаточную энергию, время их дрейфа должно быть относительно велико. Поэтому ударная ионизация наблюдается только в достаточно широких переходах, т.е. в переходах на относительно высокоомном материале.

Для количественной оценки увеличения тока из-за процесса ударной ионизации в р-n-переходе вводят коэффициенты лавинного умножения М_n и М_р, показывающие, во сколько раз увеличивается ток данных носителей в результате ударной ионизации. В связи с предположением о равенстве коэффициентов ионизации автоматически получается равенство и коэффициентов лавинного умножения: М_n = М_р= М.

Ход характеристики в области ионизации вплоть до пробоя описывается с помощью полуэмпирической формулы

(3.30)

где М - коэффициент лавинного умножения;

U_м-напряжение лавинного пробоя, при котором М = ∞.

Параметром р-n-перехода, характеризующим явление пробоя, является пробивное напряжение — это напряжение, при котором происходят неограниченное возрастание тока (рис. 4).

Рис. 3.19. Вольт-амперная характеристика диода при лавинном пробое

Напряжение U_м при лавинном пробое зависит от удельного сопротивления областей, зависимость эта полуэмпирическая и имеет вид:

(3.31)

где ρ_σ имеет размерность ом·см, а а и m — эмпирические коэффициенты, причем значения этих коэффициентов различны для германиевых и кремниевых переходов.

Для германиевых сплавных переходов:

U_м.Ge = 100ρ^0,8 (р⁺-n-переход),

U_м.Ge = 55,0ρ^0,8 (n⁺-р- переход). (3.32)

U_м.Si = 96,0ρ^0,78 (р⁺-n-переход),

U_м.Si = 48,0ρ^0,78 (n⁺-р- переход).

Из приведенных выражений следует, что пробивное напряжение увеличивается с ростом удельной проводимости, то есть при меньших концентрациях легирующих примесей напряжение лавинного пробоя имеет большую величину.

Напряженность поля пробоя, полученная экспериментально для очень тонких (единицы микрон) переходов (ρ ≈ 0,15 — 0,20), составляет около (2,5 – 3,0)·10⁵ В/см. С увеличением толщины перехода напряженность поля пробоя падает до (0,8 – 1,2) 10⁵ В/см, составляя в среднем в широкой области удельных сопротивлений около 10 В/см.

Как при туннельном, так и при лавинном пробое неограниченное возрастание тока приводит к тепловому пробою перехода, разрушению перехода и полному выходу из строя диода или триода.

С этой точки зрения целесообразно во всех случаях работы перехода в пиковых режимах ставить последовательно с переходом токоограничивающее сопротивление. Величина этого сопротивления должна выбираться такой, чтобы при пиковых значениях напряжения ток в цепи не превосходил допустимого значения.