Пробой p – n перехода

При некотором критическом значении обратного напряжения на p – nпереходе малый обратный ток начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем p – n перехода.

Для большинства типов диодов пробой – явление нежелательное, поскольку из-за резкого роста тока в p – n переходе выделяется большое количество тепла, что приводит к необратимым структурным изменениям. Если же мощность, выделяющаяся в p – n переходе, не превышает предельно допустимую, то p – n переход сохраняет работоспособность и после пробоя. Поэтому для некоторых типов диодов пробой является основным рабочим режимом.

Существуют три основных механизма пробоя: тепловой, лавинный и полевой (туннельный). Два последних механизма пробоя – электрические.

Резкий рост обратного тока p – n перехода возможен при увеличении числа носителей в самом p – n переходе. При тепловом пробое это происходит за счет выделения тепла на сопротивлении перехода при прохождении через него обратного тока. Напряжение пробоя, как показывают расчеты, определяется обратным током p – n перехода, температурным коэффициентом обратного тока ( ) и тепловым сопротивлением конструкции диода, которое характеризует мощность, отдаваемую от p – n перехода в окружающую среду при разности температур между ними в один кельвин. Наиболее сильна зависимость напряжения теплового пробоя от температуры окружающей среды. При ее увеличении пробивное напряжение уменьшается, так как усиливается тепловая генерация носителей и уменьшается перепад температур между p – n переходом и средой.

Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от обратного тока через диод при заданной температуре, поэтому в диодах с большими обратными токами уже при комнатной температуре возникают условия теплового пробоя и он наступает раньше, чем другие виды пробоя. Обратный ток больше у полупроводников с узкой запрещенной зоной, поэтому для германиевых диодов условия теплового пробоя выполняются уже при сравнительно низких температурах, раньше чем наступают другие виды пробоя. Тепловой пробой в кремниевых диодах может происходить при высоких температурах. Пробой может начаться как лавинный, а по мере увеличения обратного тока перейти в тепловой.

Лавинный пробой p – n перехода – это пробой, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Неосновные носители, проходя через область p – n перехода при обратном напряжении, приобретают в сильном электрическом поле на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар путем ударной ионизации атомов полупроводника. Вновь образованные носители тоже попадают в сильное электрическое поле и на длине свободного пробега приобретают достаточную для ионизации следующего атома энергию. Процесс развивается лавинообразно, что и отражает название пробоя.

Пробивное напряжение резких несимметричных p – n переходов определяется концентрацией примесей в слабо легированной области (базе) или ее удельным сопротивлением, т.к. от этих величин зависит толщина p – n перехода. Толщина плавных p – n переходов и их пробивное напряжение определяются градиентом концентрации примесей.

С повышением температуры уменьшается длинна свободного пробега носителей заряда, а значит, и энергия, которую носитель заряда может приобрести на ней в электрическом поле. Поэтому повышение температуры приводит к увеличению пробивного напряжения при лавинном пробое (рис.4, кривая 2).

Туннельным пробоем p – n перехода называют пробой, вызванный квантово-механическим туннелированием носителей заряда через запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование возможно, если толщина потенциального барьера, который должны преодолеть электроны, достаточно мала. При неизменной ширине запрещенной зоны (для одного и того же материала)толщина потенциального барьера определяется напряженностью электрического поля, т.е. наклоном энергетических уровней (рис.2). Поэтому условия для туннелирования возникают только при определенной напряженности электрического поля или при определенном напряжении на p – n переходе – при пробивном напряжении. Значение этой критической напряженности составляет примерно В/см для кремниевых и В/см - для германиевых диодов (рис.5).

Туннельный пробой p-n перехода может происходить только в полупроводниках с большой концентрацией примесей, т.к. для туннелирования нужны малая толщина потенциального барьера и, следовательно, малая толщина перехода. При этих условиях пробивные напряжения тоже невелики, обычно не более 5 В.

С повышением температуры у полупроводников ширина запрещенной зоны уменьшается, уменьшается и толщина потенциального барьера при той же напряженности электрического поля. Вероятность туннелирования носителей через барьер увеличивается, а пробивное напряжение при туннельном пробое с ростом температуры уменьшается (рис.4 кривая 1).