Пробой p-n-перехода.

Под пробоем p-n-перехода понимают значительное уменьшение обратного сопротивления, сопровождающееся возрастанием обратного тока при увеличении приложенного напряжения. Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т. е. «просачивание» электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда.

Рис. 2.11. Энергетическая зонная диаграмма, поясняющая туннельный переход электрона (а); вольт-амперная характеристика -перехода (6): 1 - лавинный пробой; пробой; 3 - тепловой пробой

Иными словами, туннельный пробой наступает тогда, когда напряженность электрического поля возрастает настолько, что становится возможным туннельный переход электронов из валентной зоны полупроводника с электропроводностью одного типа в зону проводимости полупроводника с электропроводностью другого типа (рис. 2.11, а). Туннельный пробой чаще всего возникает у полупроводниковых приборов, имеющих узкий переход и малое значение удельного сопротивления, причем напряженность электрического поля должна быть достаточно высокой (более 105 В/см). При такой напряженности энергетические зоны искривляются настолько, что энергия электронов валентной зоны полупроводника -типа становится такой же, как и энергия свободных электронов зоны проводимости полупроводника -типа. В результате перехода электронов «по горизонтали» из области в область возникает туннельный ток. Начало туннельного пробоя оценивается по десятикратному превышению туннельного тока над обратным. При увеличении температуры напряжение, при котором возникает туннельный пробой, уменьшается. Вольт-амперная характеристика 2 туннельного пробоя представлена на рис. .

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происходит тогда, когда напряженность электрического поля, вызванная обратным напряжением, достаточно велика. Неосновные носители заряда, движущиеся через -переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне -перехода ионизируют их. В результате появляется пара электрон — дырка. Вновь появившиеся носители заряда ускоряются электрическим полем и в свою очередь могут вызвать ионизацию следующего атома и т. д. Если процесс ударной ионизации идет лавинообразно, то по тому же закону увеличиваются количество носителей заряда и обратный ток. При лавинной ионизации ток в цепи ограничен только внешним сопротивлением. Для количественной характеристики этого процесса используется коэффициент лавинного умножения , который показывает, во сколько раз ток, протекающий через -переход, больше обратного тока: .

Коэффициент можно определить из эмпирического выражения

где — напряжение, при котором возникает лавинный пробой и для для .

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих достаточно большую ширину -перехода. Напряжение лавинного пробоя зависит от температуры полупроводника и растет с ее увеличением из-за сокращения длины свободного пробега носителей заряда. При лавинном пробое падение напряжения на остается постоянным на рис. .

Тепловой пробой возникает в результате разогрева -перехода, когда количество теплоты, выделяемой током в p-n-переходе, больше количества теплоты, отводимой от него. При разогреве -перехода происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар и увеличение обратного тока через -переход. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению температуры и обратного тока. В итоге ток через -переход лавинообразно увеличивается и наступает тепловой пробой (3 на рис. 2.11, б).

Следует заметить, что один вид пробоя может наступать как следствие другого вида пробоя.