Механизмы пробоя p-n-переходов

При достаточно большом обратном смещении р-n-переход “пробивается” и через него протекает очень большой ток. Различают три основных механизма пробоя: туннельный эффект, лавинное умножение, тепловая неустойчивость.

Туннельный пробой. В основе данного вида пробоя лежит туннельный эффект, т.е. проникновение электронов сквозь потенциальный барьер, когда его толщина достаточно мала. (рис. 7.3). Когда электрическое поле в германиевых или кремниевых р-n-переходах достигает ~10⁶B/см начинают протекать токи, обусловленные туннельными переходами между зонами. Для получения таких полей концентрации примеси в р- и n-областях должны быть достаточно высокими. Туннельный пробой, происходит в германиевых и кремниевых р-n-переходах при напряжениях пробоя меньших 4E_g/q. При напряжениях пробоя (4¸6)E_g/q пробой обусловлен как туннельным, так и лавинным механизмами. При напряжениях пробоя больших 6E_g/q пробой связан с лавинным механизмом. Так как ширина запрещенной зоны Ge,Si,GaAs уменьшается с увеличением температуры, то напряжение пробоя связанное с туннельным эффектом имеет отрицательный температурный коэффициент.

Лавинное умножение. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения диодов и коллекторного напряжения биполярного транзистора. Процесс лавинного пробоя полупроводника аналогичен ударной ионизации в газе. Электрон или дырка ускоренные полем могут ионизировать атом полупроводника, в результате чего получится новая пара электрон-дырка, а ток через р-n-переход возрастает. При достаточно большой

напряженности электрического поля ионизация может приобрести лавинный характер. При лавинном пробое пробивное напряжение с ростом температуры увеличивается.

Для резкого несимметричного р-n-перехода напряжение пробоя равно:

, (7.2.1)

где N_б - концентрация примеси в слаболегированной области,

e_m - максимальное электрическое поле.

Тепловой пробой. Тепловой механизм пробоя обусловлен выделением тепла в р-n-переходе при протекании обратного тока. Рассеиваемая в переходе мощность равна P=UI_oб. Под действием этой мощности увеличивается температура перехода, а следовательно растет и обратный ток. Вследствие теплового нагрева на обратной ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, ток резко возрастает и диод выходит из строя. На рисунке 7.4 показаны ВАХ кремниевых р-n-переходов с лавинным - 1, туннельным - 2, тепловым – 3 пробоями.

Рис. 7.1

Рис. 7.2

Рис. 7.3

Рис. 7.4