Повышение Uобр до определенного значения (точка 2 на рис.4), называемого напряжением пробоя Uпроб, приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления Rобр и, соответственно, росту Iобр.
Различают электрический и тепловой пробои p-n–перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный (полевой) и лавинный пробои (рис.5).
В обоих случаях (электрический и тепловой пробои) резкий рост тока связан с увеличением числа зарядов в переходе. При электрическом пробое число зарядов в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов кристаллической решетки, при тепловом пробое – за счет тепловой.
Величина напряжения Uпроб зависит от материала полупроводника p-n-перехода, степени легирования и может иметь значение от единиц до сотен вольт.
Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n-переходе. Такой пробой является обратимым, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например, в таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.
|
|
Туннельный пробой (рис.5) происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n-переходы возможны только при высокой концентрации примесей в полупроводнике. Для туннельного пробоя характерен резкий рост Iобр при незначительном Uобр – обычно несколько вольт.
Лавинный пробой (рис.5) заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные заряды в p-n-переходе ускоряются настолько, что способны выбить из атома валентный электрон, сделав его свободным. При этом образуется пара зарядов – свободный электрон - дырка. Образовавшиеся свободные электроны тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон - дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока Iобр при практически неизменном напряжении Uобр.
На рис.4 приведена ВАХ перехода у которого наблюдается лавинный пробой (участок 1-2-3). В точке 2 обратный ток очень резко (лавинообразно) возрастает.
Тепловой пробой (рис.5) возникает при перегреве p-n-перехода большим обратным током Iобр, когда отводимое от p-n -перехода тепло[2] меньше выделяемого в нем тепла.
|
|
При протекании постоянного тока, мощность, подводимая к переходу, определяется обратным напряжением и обратным током: Pподв = IобрUобр. Эта мощность идет на разогрев перехода, в результате чего температура перехода Тп возрастает. При нагреве перехода происходит интенсивная генерация пар зарядов – свободный электрон-дырка, т.е. растет Iобр.
Тепловой пробой развивается лавинообразно, поскольку увеличение Iобр за счет нагрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту Iобр и т.д.
Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности p-n-перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим Iобр. В результате данный участок p-n-перехода расплавляется и прибор приходит в негодность.
Примечание: пробой сопровождается переходом диода в негодное состояние лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в диоде, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Более того, для некоторых типов диодов пробой является основным рабочим режимом, например, для стабилитронов.
Участок теплового пробоя на вольт-амперной характеристике (участок характеристики за пределами точки 3 на рис.4) соответствует росту Iобр при одновременном уменьшении Uобр на p-n-переходе.
Тепловой пробой может возникнуть: при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также при плохом теплоотводе.
Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, напряжении.
Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур ∆T = Tмакс – Tмин и допустимое Uобр.доп. (примерно 0,8 от Uпроб). Допустимое Uобр.доп. тем больше, чем меньше Iобр, ниже температура окружающей среды Токр и чем выше максимально допустимая температура перехода Тп.макс.
Напряжение теплового пробоя тем ниже, чем больше тепловой обратный ток (рис.5). В Ge p-n-переходах Iобр велик, поэтому при большом Uобр сразу наступает тепловой пробой, приводящий переход в негодность.
В Si и GaAs p-n-переходах Iобр весьма мал и напряжение теплового пробоя больше напряжения пробоя для лавинного пробоя.
При высоких температурах окружающей среды пробой может начаться как лавинный, а затем при увеличении Iобр перейти в тепловой.
3. Ёмкости электронно-дырочного перехода (p-n – перехода).
При рассмотрении физических процессов в р-n–переходе было показано, что в запирающем слое по обе стороны от металлургической границы существуют объёмные неподвижные заряды ионов примесей, а также проникающие в запирающий слой подвижные заряды – электроны и дырки.
Кроме того, при подключении к переходу внешнего напряжения, изменяются концентрации подвижных зарядов вблизи границ запирающего слоя и изменяется толщина (ширина) запирающего слоя.
Наличие различных по знаку электрических зарядов по обе стороны от металлургической границы можно представить электрической ёмкостью, которую называют ёмкостью p-n - перехода – Сpn.
Количество неподвижных зарядов – ионов примесей, в переходе изменяются в зависимости от приложенного к переходу напряжения Uпр или Uобр, так как изменяется ширина запирающего слоя d, а также изменяются концентрация основных и неосновных подвижных зарядов вблизи границ перехода. Поэтому в общем случае емкость перехода является функцией напряжения Сpn = f (U).
Величины объёмных подвижных и неподвижных зарядов непосредственно в запирающем слое и за его пределами различным образом зависят от приложенного к переходу напряжения.
|
|
В связи с этим принято рассматривать ёмкость перехода Сpn как состоящую из двух величин
Сpn = Сбар + Сдиф.
Одну из этих величин Сбар, характеризующую перераспределение неподвижных зарядов – ионов примеси в запирающем слое, называют барьерной (зарядной) ёмкостью.
Вторая составляющая Сдиф – диффузионная ёмкость – отображает перераспределение подвижных зарядов у границ перехода в результате процессов инжекции и экстракции.
Деление ёмкости на барьерную и диффузионную является условным, но величины их сильно отличаются – Сдиф ≫ Сбар. Поэтому практически понятие барьерной ёмкости удобнее использовать для обратносмещённого p-n – перехода, а диффузионной - для прямосмещённого.
Роль диэлектрика у барьерной ёмкости выполняет запирающий слой, практически лишённый подвижных зарядов, т.е. обладающий большим сопротивлением.
Барьерную ёмкость для идеального p-n-перехода можно рассматривать как ёмкость плоского конденсатора
где ε0 = 8,85∙10 – 12 Ф/м – электрическая постоянная, ε - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала, Spn - площадь p-n–перехода, dpn – толщина запирающего слоя (ширина p-n–перехода).
Барьерная ёмкость изменяется при изменении напряжения на переходе, т.к. с увеличением Uобр толщина запирающего слоя dpn увеличивается, а с увеличением Uпр – толщина dpn уменьшается.
В общем случае зависимость барьерной ёмкости Сбар от приложенного напряжения (рис.7) можно определить по формуле
где С0 = εε0Spn / dpn – барьерная ёмкость перехода при Uвнеш = 0; Uк – контактная разность потенциалов p-n–перехода; Uвнеш – внешнее напряжение подставляемое в формулу с учётом знака (со знаком минус, если Uвнеш – обратное, со знаком плюс, если Uвнеш – прямое).
Значение барьерной ёмкости Сбар колеблется от десятков до сотен пФ.
В плоскостных p-n-переходах площадь делается большой, поэтому у них барьерная ёмкость велика.
У точечных p-n-переходов площадь перехода мала, поэтому барьерная ёмкость невелика и частотный диапазон гораздо шире, чем у плоскостных.
|
|
Диффузионная ёмкость Сдиф отражает перераспределение подвижных зарядов у границ перехода в результате процессов инжекции и экстракции и может быть определена по формуле
где t - время жизни подвижных зарядов; Iпр - прямой ток через диод.
Cpn, пФ
Сдиф
C0
Сбар
Uобр Uпр
Рис.7. Вольт-фарадная характеристика электронно-дырочного перехода
Значение диффузионной ёмкости Сдиф колеблется от сотен до тысяч пФ.
Диффузионная ёмкость также нелинейна (рис.7) и возрастает с увеличением Uпр. Диффузионная ёмкость является причиной инерционности полупроводниковых приборов при работе в диапазоне высоких частот.
Диффузионная ёмкость Сдиф значительно больше барьерной Сбар, но использовать её для практических целей нельзя, так как она зашунтирована малым сопротивлением Rпр прямосмещённого p-n–перехода.
[1] другие названия дрейфового тока – ток тепловой I 0 , ток проводимости, ток насыщения, обратный ток I ОБР.
[2] Мощность тепла Θ, выделяемого в веществе при протекании электрического тока I, в соответствии с законом Джоуля - Ленца определяется по формуле Θ = I2Rt, где R – сопротивление вещества, t – время протекания тока.