Тепловой пробой p-n перехода

Тепловой пробой характерен для широких p-n переходов, у которых база слабо легирована примесями. Данный тип пробоя обусловлен разогревом p-n перехода при протекании через него обратного тока. В режиме постоянного тока мощность, выделяемая в p-n переходе, определяется соотношением

P_ВЫД = I_ОБР U_ОБР.

Отводимая от p-n перехода мощность в результате теплопроводности и дальнейшего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву p-n перехода (Т_П-Т_ОКР) и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению конструкции диода R_Т:

Р_ОТВ = .

Тепловое сопротивление диода R_Т выражается в градусах на ватт и определяет перепад температуры, необходимый для отвода 1 Вт мощности от p-n перехода в окружающую среду. Тепловое сопротивление тем меньше, чем больше теплопроводность материала К_Т , площадь П_Т и чем меньше толщина слоя d_Т, проводящего тепло:

.

Коэффициент теплопроводности К_Т у германия равен 0,52Вт/(см×°С),
т.е. примерно в 7 раз меньше, чем у меди, отличающейся хорошей теплопроводностью. У кремния теплопроводность лучше:

К_Т=2,19 Вт/(см×°С).

В установившемся режиме мощность, выделяющаяся на p-n переходе, и мощность, отводимая от него, должны быть равны:

Р_ВЫД = Р_ОТВ.

Если количество тепла, выделяемого на p-n переходе, превышает количество тепла, отводимого от p-n перехода, то температура перехода начинает расти. Соответственно растет обратный ток, увеличение которого определяется тепловой генерацией электронно-дырочных пар атомами полупроводников в областях, прилегающих к p-n переходу, на расстоянии длины диффузии, как указано на рис.23. Это приводит к дальнейшему росту Р_ВЫД и температуры перехода Т_П; тепловой режим перехода теряет устойчивость, температура и ток перехода неограниченно растут, возникает тепловой пробой.

Рис.23

На рис.23 обозначено:

S×L_n - объем диффузии неосновных носителей - электронов в полупроводнике p-типа, где S - площадь полупроводника, прилегающая к p-n переходу, L_n - длина диффузии электронов - неосновных носителей заряда полупроводника p-типа;

S×L_Р - объем диффузии неосновных носителей заряда -дырок в полупроводнике n-типа, где L_Р - длина диффузии дырок.

Вид обратной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) p-n перехода с тепловым пробоем представлен на рис. 24.

Рис.24

В точке А обратное напряжение на p-n переходе достигает значения напряжения теплового пробоя U_ПР1, при котором начинается быстрый рост I_ОБР. ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем имеет участок АВ, на котором дифференциальное сопротивление отрицательно:

r_ДИФ = dU_ОБР/dI_ОБР < 0,

так как концентрация носителей заряда резко увеличивается и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток перехода.

Зависимость 1 рис.24 приведена для температуры окружающей среды T₁=+20°С, тепловой пробой наступает при напряжении, равном U_ПРОБ1. Если температура окружающей среды возрастет до значения T₂=+40°C, то обратная ветвь ВАХ p-n перехода принимает вид зависимости 2 рис.24. Известно, что с увеличением температуры тепловой ток возрастает экспоненциально (т.к. резко возрастает количество неосновных носителей заряда):

I₀ = B×S×exp[-DWз /kT],

где – Т – температура;

S – площадь p-n перехода;

DWз – ширина запрещенной зоны полупроводника;

k = 1,38×10^-23 Дж/°С – постоянная Больцмана;

В – коэффициент, зависящий от типа полупроводника и p-n перехода.

Поэтому при T = T₂ тепловой пробой наступает раньше - при меньшем напряжении пробоя, равном U_ПРОБ2. Пробивное напряжение уменьшается, во-первых, в связи с увеличением выделяющейся мощности при тех же обратных напряжениях и, во-вторых, из-за ухудшения теплоотвода от p-n перехода. Это означает, что температурный коэффициент напряжения для теплового пробоя имеет отрицательное значение:

ТКН_ТЕПЛ = DU_ПРОБ/DТ < 0,

где DU_ПРОБ = U_ПРОБ2 – U_ПРОБ1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину DТ = Т₂ – Т₁ при фиксированном значении обратного тока.

Тепловой пробой - необратимый пробой, поскольку может привести к плавлению полупроводникового материала. Так как пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от обратного тока через p-n переход, то в диодах с большими обратными токами даже при комнатных температурах создаются условия для теплового пробоя и он наступает раньше, чем лавинный пробой. Это справедливо для германиевых полупроводниковых диодов и мощных транзисторов. И наоборот, в кремниевых диодах из-за значительно меньших обратных токов напряжение теплового пробоя получается настолько большим, что раньше наступает лавинный пробой. Однако это не означает, что в кремниевых диодах не может быть теплового пробоя. Он может происходить при высоких температурах окружающей среды. Кроме того, пробой может начаться как лавинный, а затем, по мере увеличения обратного тока, перейти в тепловой пробой.

В связи с тем, что напряжение пробоя уменьшается с увеличением теплового сопротивления, следует обратить особое внимание на совершенство конструкции диода. Тепловой пробой наблюдается и тогда, когда имеет место плохой отвод тепла от корпуса полупроводникового прибора.

Полевой пробой

Полевой, или туннельный, пробой относится к электрическому виду пробоя и характерен для сравнительно узких p-n переходов (ширина p-n перехода в равновесном состоянии составляет сотые доли микрометра).

Это обеспечивается в том случае, когда обе области p-n перехода имеют высокую степень легирования примесями. При этом длина свободного пробега l электронов меньше ширины обратно-смещенного p-n перехода:

l < l_ОБР.

При напряженности электрического поля E = U_ОБР /l_ОБР в p-n переходе, равной критическому значению E_КР=(2¸4)×10⁵ В/см, происходит полевой, или туннельный, пробой.

При такой большой напряженности электрического поля у атома полупроводника происходит отрыв валентных электронов и число носителей заряда растет. С точки зрения энергетической (зонной) диаграммы основу полевого пробоя составляет туннельный эффект - явление «просачивания» электронов сквозь узкий энергетический барьер p-n перехода, т.е. переход электронов с занятых энергетических уровней валентной зоны полупроводника p-типа на свободные энергетические уровни зоны проводимости полупроводника n-типа. Эти переходы происходят без изменения энергии электрона, а на энергетической диаграмме, изображенной для этого случая на рис.25, переходы происходят на одном энергетическом уровне, т.е. горизонтально.

Вероятность туннельных переходов при напряженности электрического поля E = 10⁵ В/см составляет один электрон в секунду, а при напряженности электрического поля E = 10⁶ В/см – 10¹² электронов в секунду. Поэтому при критическом значении напряженности электрического поля обратносмещенного p-n перехода количество туннельных переходов будет значительным, а это приводит к резкому увеличению обратного тока.

Рис.25

При дальнейшем увеличении обратного напряжения на p-n переходе
U_ОБР > U_ПРОБ рост обратного тока происходит по экспоненциальному закону. Это объясняется увеличением напряженности электрического поля и степени перекрытия валентной зоны полупроводника p-типа и зоны проводимости полупроводника n-типа.

Обратная ветвь ВАХ p-n перехода для случая полевого пробоя представлена на рис.26. Полевой пробой имеет место в p-n переходах с напряжением пробоя до 5 В.

Зависимость 1 рис.26 изображена для значения температуры окружающей среды T₁=+20°C. При увеличении температуры окружающей среды до значения T₂=+50°С ВАХ p-n перехода видоизменяется, и на рис.26 это изменение нашло отражение в зависимости 2. При увеличении температуры обратный ток p-n перехода возрастает в связи с ростом концентрации неосновных носителей заряда по экспоненциальному закону. Такое изменение обратного тока наблюдается при регулировании обратного напряжения в диапазоне от нуля до напряжения пробоя.

С увеличением температуры напряжение пробоя уменьшается и становится равным U_ПРОБ2 (зависимость 2 рис.26). Это обусловлено тем, что при увеличении температуры возрастает амплитуда тепловых колебаний атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки, энергия электронов также растет, величина контактной разности потенциалов p-n перехода j_К снижается, ширина p-n перехода l_ОБР уменьшается, а напряженность электрического поля в p-n переходе Е увеличивается, критическое значение напряженности поля Е_КР достигается при меньшем значении U_ОБР, растет количество туннельных переходов и, следовательно, резко возрастает обратный ток. Следовательно, температурный коэффициент напряжения при полевом пробое имеет отрицательное значение:

ТКН_ПОЛ = DU_ПРОБ/DТ < 0,

где DU_ПРОБ = U_ПРОБ2 – U_ПРОБ1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину DТ = Т₂ – Т₁ при фиксированном значении обратного тока.

Рис.26

При полевом пробое пробивное напряжение оказывается обратно пропорциональным концентрации примесей в областях, прилегающих к p-n переходу, или прямо пропорционально удельному сопротивлению этих областей.

Для кремниевых p-n переходов пробивное напряжение при полевом пробое определяется эмпирическим соотношением

U_ПР=200×r_n+73×r_Р;

а для германиевых переходов:

U_ПР=190×r_n+94×r_Р,

где r_n и r_Р – удельные сопротивления n- и p-областей, прилегающих к переходу, Ом×см.

Следовательно, чем сильнее легированы области p-n перехода, тем меньше удельное сопротивление этих областей и тем меньше пробивное напряжение при полевом пробое.

Лавинный пробой

Лавинный пробой относится к электрическому виду пробоя и проявляется в p-n переходах средней величины, то есть ширина p-n перехода достаточна большая. При увеличении значения обратного напряжения на p-n переходе напряженность электрического поля E = U_ОБР/l_ОБР (В/см) растет. Когда напряженность электрического поля достигает критического значения E_КР = (80¸120) кВ/см, то создаются условия для ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника непосредственно в p-n переходе быстрыми электронами или дырками, которые получили достаточное ускорение за счет действия напряженности электрического поля p-n перехода. Механизм ударной ионизации нейтральных атомов p-n перехода иллюстрируется на рис.27.

В результате ударной ионизации генерируются новые пары носителей заряда, которые, в свою очередь, ускоряясь под действием напряженности электрического поля, вновь при столкновении с нейтральными атомами полупроводника образуют новые электронно-дырочные пары. Ионизацию нейтральных атомов совершают только те электроны и дырки, которые на длине свободного пробега электрона набирают за счет напряженности электрического поля энергию, достаточную для ионизации. Поэтому ширина p-n перехода должна быть достаточна большая, а именно много больше длины свободного пробега электрона :
l_ОБР >> l.

Рис.27

С ростом U_ОБР увеличивается ширина p-n перехода и напряженность электрического поля в нем, электроны разгоняются сильнее, резко возрастает число ионизаций, совершаемых каждым электроном, и ток p-n перехода лавинообразно растет.

Напряжение лавинного пробоя определяется из соотношения

U_ПРОБ=А×r_б^В,

где r_б - удельное электрическое сопротивление базы диода;
А, В - коэффициенты, зависящие от материала и типа электропроводности полупроводника, их значения указаны в таблице .

Так, например, для базы p-n перехода n-типа

,

где е – заряд электрона;

m_n – подвижность электронов;

n_n – концентрация электронов - основных носителей заряда полупроводника n-типа.

Чем меньше концентрация примесей в базе p-n перехода, тем выше ее удельное электрическое сопротивление, шире p-n переход, меньше в нем напряженность электрического поля и соответственно более высокое значение напряжения лавинного пробоя. Эмпирические коэффициенты А и В различны не только для p-n переходов из разных материалов, но и для переходов из одного и того же материала с разными типами электропроводности базы (p⁺-n и n⁺-p). Связано это различие в коэффициентах с тем, что подвижность электронов отличается от подвижности дырок в одном и том же материале.

Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с лавинным пробоем представлена на рис.28.

Лавинный пробой характерен для p-n переходов с напряжением пробоя более 7 В.

Зависимость 1 рис.28 соответствует температуре окружающей среды T₁ = +20°С. С увеличением температуры окружающей среды лавиннный пробой наступает при большем напряжении (½U_ПРОБ2½ > ½U_ПРОБ1½). Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки полупроводника и уменьшается длина свободного пробега носителей заряда l , а значит, и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в

электрическом поле. Поэтому для получения энергии, необходимой для
ударной ионизации нейтральных атомов, требуется бо¢льшая напряженность
электрического поля в p-n переходе, и, следовательно, напряжение
лавинного пробоя возрастает.

С другой стороны, при увеличении температуры уменьшается подвижность носителей заряда полупроводника, растет удельное электрическое сопротивление базы p-n перехода, а в соответствии с соотношением

U_ПРОБ ~ r_б

напряжение лавинного пробоя также возрастает.

На рис.28 зависимость 2 изображена для температуры окружающей среды T₂ = +50°С. Таким образом, температурный коэффициент напряжения при лавинном пробое имеет положительное значение:

ТКН_ЛАВ = DU_ПРОБ/DТ > 0,

где DU_ПРОБ = U_ПРОБ2 – U_ПРОБ1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину DТ при фиксированном значении обратного тока.

Рис.28

Вопросы для самопроверки

1. Какой полупроводник называется собственным?

2. Какой полупроводник называется примесным?

3. Что такое энергия (уровень) Ферми?

4. Укажите и поясните расположение уровня Ферми для собственного полупроводника, примесных полупроводников p- и n-типов.

5. Как зависит положение уровня Ферми примесных полупроводников от концентрации примеси и температуры?

6. Как связаны концентрации основных и неосновных носителей заряда в полупроводнике n-типа?

7. Что такое собственная концентрация электронов и дырок и как она зависит от материала полупроводника, температуры?

8. Как зависит концентрация основных и неосновных носителей заряда от степени легирования и температуры?

9. Назовите основные факторы, от которых зависят время жизни и диффузионная длина неравновесных носителей заряда?

10. Объясните механизм образования p-n перехода.

11. Какие электронно-дырочные переходы называют симметричными, а какие несимметричными?

12. Какие электронно-дырочные переходы называют резкими, а какие плавными?

13. Нарисуйте распределение объемных и подвижных зарядов, напряженности электрического поля и потенциала в области несимметричного p-n перехода в равновесном состоянии.

14. В чем заключаются условия равновесия p-n перехода?

15. Что такое контактная разность потенциалов и от чего она зависит?

16. Нарисуйте энергетическую диаграмму несимметричного p-n перехода в равновесном состоянии.

17. Нарисуйте энергетическую диаграмму прямосмещенного p-n перехода.

18. Как зависит ширина p-n перехода от концентрации примеси и от приложенного напряжения?

19. Что такое инжекция носителей заряда?

20. Нарисуйте энергетическую диаграмму обратносмещенного p-n перехода.

21. Что такое экстракция носителей заряда?

22. Как зависит ширина p-n перехода и энергетический барьер от температуры?

23. Запишите выражение для вольтамперной характеристики идеального
p-n перехода.

24. Нарисуйте вольтамперные характеристики германиевого, кремниевого и арсенид-галлиевого переходов и объясните их отличие.

25. Объясните влияние температуры на ход вольтамперной характеристики p-n перехода.

26. Что показывает температурный коэффициент напряжения?

27. Объясните влияние степени легирования на ход вольтамперной характеристики p-n перехода.

28. Какая область p-n перехода называется базой, а какая эмиттером?

29. Как влияет сопротивление базы на ход прямой ветви характеристики p-n перехода?

30. Как зависит величина обратного тока p-n перехода от концентрации примеси и температуры?

31. Объясните зависимость обратного тока в реальных p-n переходах от величины обратного напряжения.

32. Что такое пробой?

33. Назовите основные виды пробоев p-n переходов.

34. Поясните механизм и условия возникновения теплового пробоя.

35. Как влияет температура окружающей среды на напряжение теплового пробоя?

36. Поясните механизм и условия возникновения лавинного пробоя.

37. Поясните механизм и условия возникновения полевого пробоя.

38. Как зависит величина напряжения полевого пробоя от степени легирования областей p-n перехода?

39. Как изменится ход вольтамперной характеристики p-n перехода с лавинным пробоем, если концентрацию примесей в базе уменьшить?

40. Почему с ростом температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается?

41. Почему с ростом температуры напряжение полевого пробоя уменьшается?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Электронные приборы: Учебник для вузов/В.Н.Дулин, Н.А.Аваев, В.П.Демин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1989. 496 с.

2. Батушев В.А. Электронные приборы: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1980. 383 с.

3. Пасынков В.В., Чиркин А.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1987. 479 с.

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1991. 621 с.

5. Завадский В.А. Компьютерная электроника: Учебник для вузов. Киев: ВЕК, 1996. 368с.

6. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов: Учебное пособие. 2-е изд., испр. и доп. М.:Сов. радио, 1969. 542 с.

7. Епифанов Г.И. Физика твердого тела: Учебное пособие для втузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1977. 288с.

8. Ржевкин К.С. Физические принципы действия полупроводниковых приборов: М.: изд-во МГУ, 1986. 256с.

9. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ.
2-е изд. перераб. и доп. М.:Мир,1984. Кн. 1. 456с.

10. Антипов Б.Л., Сорокин В.С., Терехов В.А. Материалы электронной техники. Задачи и вопросы: Учебное пособие для вузов/ Под ред.
В.А. Терехова. М.: Высш. шк., 1990. 208 с.

11. Жеребцов И.П. Основы электроники: Учебное пособие для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат,1989. 352 с.