Вольт-амперная характеристика реального р-n-перехода

3.5.1. Учет генерации и рекомбинации носителей заряда в обедненном слое ток I_ген пропорционален концентрации . Так как тепловой ток ~ , то отношение I_ген / ~ 1/ . Поэтому в кремниевых р-n-переходах обратный ток I_обр = + I_ген ~ I_ген, а в германиевых I_обр = + I_ген ~ .(3.44)

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 I_о, 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 U_проб). Характерной особенностью лавиннго пробоя является то, что с увеличением температуры U_проб 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 I_ут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения (см. рис. 3.16, б) и может превысить тепловой ток I_о и ток генерации I_ген. Ток I_ут слабо зависит от температуры. Для уменьшения I_ут 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 Р_выд, I_обр и далее процесс повторяется.

Отводимая от р-n-перехода мощность Р_отв в результате теплопроводности и последую­щего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву р-n-перехода (разности температур перехода Т и окружающей среды Т_окр) и обратно пропорциональна тепло­вому сопротивлению R_Т участка переход – окружающая среда:

(3.48)

Через некоторое время после включения напряжения U_обр устанавливается тепловое равновесие – баланс выделяемой и отводимой мощностей:

(3.49)

(3.50)

или эквивалентного ему критерия DР_отв > DР_выд при данном DT. При U_обр=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 DР_отв < DР_выд, т.е. температура T будет понижаться и дальше, пока не будет достигнута температура Т_ст соответствующая точке А. При DТ > 0 происходит отклонение от точки В вправо, где DР_отв < DР_выд, 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 DР_отв > DР_выд.

При некотором значении U_обр = U”_обр прямая касается кривой Р_выд, т.е. имеется только одно решение (точка С), ко­торое является предельным или крити­ческим (Т = Т_кр). При дальнейшем увеличении U_обр, например при U_обр = U”_обр, не будет решения уравнения баланса (3.49) (нет точек пересечения прямой и кривой Р_выд). т.е. должно происходить непрерывное повышение температуры пе­рехода (Т > Т_кр) и рост I_обр. Рост I_обр приведет к перегреву и разруше­нию (проплавлению) обедненного слоя. Напряжение U_обр, при кото­ром наступает критический режим, можно принять за предельное значение напряжения теплового пробоя.