Лекция 15. 1. Общая характеристика пробоя pn перехода

• Название: 1. Общая характеристика пробоя pn перехода
• Дата: 02.01.2022
• Размер: 0.5 Mb.
• Имя файла: Лекция 15.doc
• Тип: Лекция; #323094

Лекция 15

ПРОБОЙ p-n перехода

1.Общая характеристика пробоя p-n перехода

Обратное напряжение, приложенное к диоду, падает на выпрямляющем электрическом переходе. При больших обратных напряжениях происходит пробой электрического перехода.

Пробой p-n перехода – это явление резкого уменьшения дифференциального сопротивления p-n перехода, сопровождающееся резким увеличением обратного тока, при достижении обратным напряжением критического для данного перехода значения.

Пробой приводит к выходу p-n перехода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в p-n переходе, не превышает максимально допустимую, переход сохраняет работоспособность и после пробоя. Поэтому для некоторых типов диодов пробой является основным рабочим режимом.

Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависит от типа p-n перехода и может иметь величину от единиц до сотен вольт.

В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают тепловой, лавинный и полевой пробои. Два последних вида пробоя p-n перехода относятся к электрическому пробою. Резкий рост обратного тока p-n перехода в режиме электрического пробоя происходит за счет увеличения числа носителей заряда в переходе при достижении напряженностью поля в переходе некоторого критического значения. При тепловом пробое число носителей заряда в переходе возрастает за счет термической ионизации атомов.

2.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

.

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:

.

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 _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. 1. 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.
Р
ис. 1. Структура p-n перехода
На рис. 1 обозначено:

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

SLp – объем диффузии неосновных носителей заряда – дырок в полупроводнике n-типа, где Lp – длина диффузии дырок.

Вид обратной ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) p-n перехода с тепловым пробоем представлен на рис. 2.




Рис. 2. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем
В точке А обратное напряжение на p-n переходе достигает значения напряжения теплового пробоя U_проб1, 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. 2 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.2. Известно, что с увеличением температуры тепловой ток возрастает экспоненциально (т.к. резко возрастает количество неосновных носителей заряда):

I₀ = BSexp[-Wз /kT],

где – Т – температура;

S – площадь p-n перехода;

Wз – 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 = U_проб/Т  0,

где U_проб = U_проб2 – U_проб1 – изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину Т = 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.

3.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  электронов меньше ширины обратно-смещенного p-n перехода:

  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. 3, 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. 3. Энергетическая диаграмма p-n перехода при полевом пробое
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. 4. Полевой пробой имеет место в p-n переходах с напряжением пробоя до 5 В.

Зависимость 1 рис. 4 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. 4 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.




Рис. 4. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода при полевом пробое
С увеличением температуры напряжение пробоя уменьшается и становится равным U_проб2 (зависимость 2 рис. 4). 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 _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 = U_проб/Т  0,

где U_проб = U_проб2 – U_проб1- изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину Т = Т₂ – Т₁ при фиксированном значении обратного тока.

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_проб = 200_n+73_p;

а для германиевых переходов:

U_проб = 190_n+94_p,

где _n и _p – 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.

4.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. Такие носители называются «горячими», так как их средняя энергия существенно превышает энергию теплового движения kT₀. Механизм ударной ионизации нейтральных атомов
p-n перехода иллюстрируется на рис. 5.





Рис. 5. Механизм ударной ионизации
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 .

С ростом U_обрувеличивается 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_б^В,

где _б - удельное электрическое сопротивление базы диода;

А, В - коэффициенты, зависящие от материала и типа электропроводности полупроводника, их значения указаны в таблице.

Материал и тип перехода	А	В
Германиевый переход, база p-типа	52	0,6
Германиевый переход, база n-типа	83	0,6
Кремниевый переход, база p- типа	23	0,75
Кремниевый переход, база n- типа	86	0,65

Так, например, для p-n перехода с базой n-типа

,

где q – заряд электрона;

_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. 6.

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

Зависимость 1 рис. 6 соответствует температуре окружающей среды T₁ = +20 С. С увеличением температуры окружающей среды лавиннный пробой наступает при большем напряжении (U_проб2  U_проб1). Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки полупроводника и уменьшается длина свободного пробега носителей заряда , 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_б

напряжение лавинного пробоя также возрастает.

На рис. 6 зависимость 2 изображена для температуры окружающей среды T₂ = +50 С. Таким образом, температурный коэффициент напряжения при лавинном пробое имеет положительное значение:

ТКН_ЛАВ = U_проб/Т  0,

где U_проб = U_проб2 – U_проб1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину Т при фиксированном значении обратного тока.




Рис. 6. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода при лавинном пробое