Вольт-амперная характеристика реального р-n-перехода
3.5.1. Учет генерации и рекомбинации носителей заряда в обедненном слое
ток Iген пропорционален концентрации . Так как тепловой ток ~ , то отношение Iген / ~ 1/ . Поэтому в кремниевых р-n-переходах обратный ток Iобр = + Iген ~ Iген, а в германиевых Iобр = + Iген ~ .
(3.44)
3.5.3. Пробой р-n-перехода
Пробоем называют резкое увеличение обратного тока перехода при некотором обратном напряжении. Различают электрические пробои, обусловленные действием электрического поля в обедненном слое, и тепловой пробой, вызванный перегревом перехода. Существуют три основных вида электрического пробоя: лавинный, туннельный и поверхностный.
Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией атомов кристаллической решетки в обедненном слое. При обратном напряжении ток в переходе создается дрейфовым движением неосновных носителей, приходящих из нейтральных р- и n-областей. Эти носители ускоряются в обедненном слое и при напряжении, превышающем некоторое критическое значение, приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом Ge (или Si) произвести их ионизацию, т.е. создать пару носителей – электрон и дырку. На рис. 3.15,а атомы Ge (или Si) не показаны. Вновь образовавшиеся носители будут ускоряться полем и могут также вызвать ионизацию и образование пар носителей заряда. Начинается лавинообразное нарастание обратного тока. Для характеристики этого процесса вводится коэффициент лавинного умножения М, показывающий, во сколько раз обратный ток превышает значение тока Iо, обусловленного потоком первоначальных носителей:
(3.45)
Коэффициент М определяется эмпирической формулой
(3.46)
Чем больше ширина запрещенной зоны , тем большую энергию должен набрать носитель в электрическом поле р-n-перехода, чтобы началась ударная ионизация (увеличится Uпроб). Характерной особенностью лавинного пробоя является то, что с увеличением температуры Uпроб возрастает (положительный коэффициент напряжения пробоя). Происходит это потому, что при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей и для сообщения носителям необходимой энергии требуется большая напряженность электрического поля.
Туннельный пробой возникает, когда напряженность электрического поля в обедненном слое возрастает настолько (Е > 106 В/см), что проявляется туннельный эффект – переход электронов сквозь потенциальный барьер без изменения энергии. Туннельный эффект наблюдается в узких переходах (порядка 10 -2 мкм), т.е. в переходах р+-n+ с очень высокой концентрацией примеси (более 5-1018 см -3).
Поверхностный пробой (ток утечки). Реальные р-n-переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхностных зарядов между р- и n-областями могут образовываться проводящие пленки и проводящие каналы, по которым идет ток утечки Iут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения (см. рис. 3.16, б) и может превысить тепловой ток Iо и ток генерации Iген. Ток Iут слабо зависит от температуры. Для уменьшения Iут применяют защитные пленочные покрытия.
Тепловой пробой. При прохождении обратного тока в переходе выделяется мощность
(3.47)
которая вызывает разогрев р-n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника и дальнейший рост обратного тока, увеличение Рвыд, Iобр и далее процесс повторяется.
Отводимая от р-n-перехода мощность Ротв в результате теплопроводности и последующего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву р-n-перехода (разности температур перехода Т и окружающей среды Токр) и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению RТ участка переход – окружающая среда:
(3.48)
Через некоторое время после включения напряжения Uобр устанавливается тепловое равновесие – баланс выделяемой и отводимой мощностей:
(3.49)
(3.50)
или эквивалентного ему критерия DРотв > DРвыд при данном DT. При Uобр=U’обр точка А удовлетворяет этому критерию, а точка В – нет.
Действительно, любое уменьшение температуры (DТ < 0), приводящие к смешению от точки В влево, означает, что DРотв < DРвыд, т.е. температура T будет понижаться и дальше, пока не будет достигнута температура Тст соответствующая точке А. При DТ > 0 происходит отклонение от точки В вправо, где DРотв < DРвыд, поэтому температура будет непрерывно возрастать. Аналогичными рассуждениями можно показать, что при DТ < 0 и DТ > 0 точка А является устойчивой, так как при DТ < 0, и при DT > 0 DРотв > DРвыд.
При некотором значении Uобр = U”обр прямая касается кривой Рвыд, т.е. имеется только одно решение (точка С), которое является предельным или критическим (Т = Ткр). При дальнейшем увеличении Uобр, например при Uобр = U”обр, не будет решения уравнения баланса (3.49) (нет точек пересечения прямой и кривой Рвыд). т.е. должно происходить непрерывное повышение температуры перехода (Т > Ткр) и рост Iобр. Рост Iобр приведет к перегреву и разрушению (проплавлению) обедненного слоя. Напряжение Uобр, при котором наступает критический режим, можно принять за предельное значение напряжения теплового пробоя.
Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 1711;