какие виды пробоя p n перехода существуют и в чем их отличие
Пробой p-n-перехода
Стабилитроны
Стабилитроны и параметрические стабилизаторы напряжений
План лекции:
5.1. Пробой p-n-перехода
5.3. Расчёт параметрического стабилизатора на стабилитроне
Стабилитроном называют полупроводниковый диод, на обратной ветви которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения. Такая зависимость, как правило, обусловлена электрическим пробоем p-n-перехода.
Пробоем называют резкое увеличение обратного тока p-n-перехода при некотором обратном напряжении, превышающем напряжение пробоя 
. Различают электрический и тепловой пробои. Существуют три основных вида электрического пробоя: лавинный, туннельный и поверхностный.
Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией нейтральных атомов кристаллической решётки полупроводника в обеднённом слое под действием сильного электрического поля. При обратном напряжении ток в p-n-переходе создаётся дрейфовым движением неосновных носителей заряда, приходящих из нейтральных p и n-областей. В обеднённом слое эти носители ускоряются и при напряжении, превышающем некоторое критическое значение, приобретают на длине свободного пробега кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом полупроводника произвести его ионизацию, т.е. создать новую пару носителей заряда – электрон и дырку. Вновь образовавшиеся носители будут ускоряться полем и могут также вызвать ионизацию. При этом может начинаться и начинается лавинообразный процесс роста количества носителей заряда. Соответственно нарастает обратный ток p-n-перехода.
Для оценки этого процесса введён коэффициент лавинного умножения 
, показывающий, во сколько раз обратный ток превышает исходную величину обратного теплового тока:
Коэффициент 
находят из эмпирической формулы
где 
параметр, зависящий от материала полупроводника и типа электропроводности базовой области, причём 
, 
напряжение лавинного пробоя, 
причём 
− обратное приложенное напряжение.
Для кремния n-типа и германия p-типа 
, а для кремния p-типа и германия n-типа 
. Зависимости обратного тока от обратного напряжения для двух значений 
приведены на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Обратная ветвь вольтамперной характеристики p-n-перехода при лавинном пробое
Характерной особенностью лавинного пробоя является то, что с увеличением температуры напряжение пробоя 
возрастает. Следовательно, напряжение лавинного пробоя имеет положительный температурный коэффициент. Рост при увеличении температуры происходит потому, что уменьшается длина свободного пробега носителей и для сообщения носителям заряда необходимой энергии требуется бóльшая напряжённость электрического поля.
Туннельный пробой представляет собой переход электронов сквозь потенциальный (энергетический) барьер между переходом 
—
без изменения энергии. Такой переход называют туннельным эффектом.
Туннельный пробой возникает при очень высокой (
В/см) напряжённости электрического поля в обеднённом слое. Поэтому туннельный эффект наблюдается в узких переходах при толщине барьера порядка 
мкм и с очень высокой концентрацией примеси (
) в переходах —. Напряжение туннельного пробоя составляет 0 ÷ 5 В.
В отличие от лавинного пробоя повышение температуры приводит к понижению напряжения туннельного пробоя из-за уменьшения ширины запрещённой зоны 
, т.е. из-за уменьшения высоты барьера. Следовательно, напряжение туннельного пробоя имеет отрицательный температурный коэффициент.
Установлено, что при 
, т.е. при невысоких концентрациях примеси, напряжение лавинного пробоя ниже, чем напряжение туннельного пробоя. При этом 
(> 6,6 В для Si), а при высоких концентрациях примеси (
) − выше, т.е. 
. При промежуточных концентрациях примеси, когда 
, пробой может объясняться обоими механизмами. Механизм пробоя в этом случае можно определить по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя.
Крутизна вольтамперной характеристики при лавинном пробое больше, чем при туннельном, и поэтому дифференциальное сопротивление стабилитрона в зоне пробоя при лавинном пробое меньше, чем при туннельном. В силу этого эффект стабилизации при лавинном пробое более сильный, чем при туннельном.
Формула для расчёта напряжения пробоя при туннельном пробое в литературе отсутствует.
Поверхностный пробой объясняется резким увеличением тока утечки. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхностных зарядов между выходящими на поверхность участками p-n-перехода могут образовываться проводящие плёнки и каналы, по которым будет протекать ток утечки 
. Поверхностный пробой пропорционален величине обратного напряжения и в некоторых случаях может превысить тепловой ток, что эквивалентно пробою. Для уменьшения тока утечки принимают специальные конструкторские и технологические меры. Поэтому поверхностный пробой является крайне редким явлением.
Тепловой пробой обусловлен выделяющейся мощностью из-за протекания обратного тока под действием обратного напряжения
что вызывает разогрев p-n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. Повышение температуры приводит к увеличению обратного тока и этот процесс может разрушить стабилитрон.
Выделяющаяся мощность за счёт теплопроводности отводится от зоны нагрева и рассеивается в окружающей среде. Кроме того, часть выделяющейся мощности отводится путём непосредственного излучения, однако этот механизм в данном случае является второстепенным.
Отводимая за счёт теплопроводности мощность пропорциональна разности температур перехода 
и окружающей среды 
и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению 
участка конструкции p-n-переход − окружающая среда
Если скорость отвода мощности больше, чем скорость выделяющейся мощности, то может установиться тепловое равновесие, когда выполняется условие
которое определяет установившуюся (стационарную) температуру 
p-n-перехода.
Тепловой пробой не может быть использован в качестве механизма стабилизации. Он только ограничивает рабочую величину обратного тока лавинного или туннельного пробоя.
В p-n-переходах с большими обратными токами, например, в германиевых, тепловой пробой уже при комнатных температурах может наступать раньше, чем лавинный пробой. В кремниевых p-n-переходах обратные токи малы, так что раньше наступает лавинный пробой, диод может работать как стабилитрон. При высоких температурах тепловой пробой в кремниевых p-n-переходах может наступать раньше лавинного.
1.2.3. Пробой p-n-перехода
Пробоем называют резкое изменение режима работы p-n-перехода, находящегося под большим обратным напряжением. ВАХ для больших значений обратных напряжений показана на рис. 1.5
Началу пробоя соответствует точка А. После этой точки дифференциальное сопротивление перехода стремится к нулю.
Различают три вида пробоя p-n-перехода:
Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.
Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом.
Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода.
Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода.
Напряжения и токи в p-n-переходах зависят от параметров перехода и его температуры.
Пробой p-n перехода
Как известно, при обратном смещении p-n перехода, обратный ток создается неосновными носителями заряда. При значительном увеличении обратного напряжения на p-n переход, генерация неосновных носителей может резко вырасти и в результате настанет пробой перехода.
Лавинный пробой – возникает в широком электронно-дырочном переходе. Неосновные носители заряда, ускоряются большим обратным напряжением и приобретают значительную энергию, которой хватает, чтобы столкнувшись с атомами кристаллической решетки, оторвать валентные электроны. Электрон, уходя со своего места, создает дырку. И вновь созданные носители снова ускоряются полем и также отрывают другие электроны. Процесс происходит лавинообразно. Отсюда название пробоя.
Туннельный пробой возникает в узких p-n переходах. Под действием большой напряженности поля, валентные электроны отрываются от своих атомов, образую при этом дырку, и увеличивают обратный ток. Такой пробой возникает только в узких переходах, потому что в них при небольших значениях напряжения, возникает значительная напряженность электрического поля.
Выше были приведены электрические виды пробоя. А так как разрушения электронно-дырочного перехода при них не происходит, то эти процессы обратимые и используются, например в стабилитронах.
В отличие от электрических пробоев, тепловой пробой, процесс необратимый. При повышении температуры, термогенерация носителей увеличивается. Следовательно, увеличивается обратный ток, что в свою очередь вызывает еще больший нагрев перехода. В результате структура кристалла разрушается и переход расплавляется.
Причинами теплового пробоя может быть плохой теплоотвод или перенапряжение диода. То есть в результате лавинного или туннельного пробоя, возник слишком большой ток, который вызвал чрезмерный нагрев перехода.
Характеристики реальных переходов. Виды пробоя p-n перехода.
Реальные характеристики сильно отличаются от идеальных. Так, в прямой ветви есть несколько отличий от идеальности, но главное, это то, что экспонента простирается только до напряжения Uп. При U>Uп потенциальный барьер полностью исчезает, и, значит, сопротивление р-п перехода становится равным только сопротивлению п- и р- областям, а сопротивление прослойки исчезает. Поэтому при U>Uп ВАХ линейна, см. рис.
В обратной ветви кроме экспоненты, которая довольно быстро приводит к насыщению, есть ещё и другой ток, вызванный генерацией носителей в области объёмного заряда. Дело в том, что при комнатной температуре (и тем более при повышенных температурах) в полупроводнике всегда рождаются электроны и дырки (термогенерация). Обычно они, немного поблуждав по полупроводнику, встречаются и гибнут
(рекомбинация). Но те электроны и дырки (пары), которые родились в слое объёмного заряда, не успевают погибнуть, так как там есть электрическое поле, которое растягивает их в разные стороны. Но тогда, как показано на рис., через р-п переход протечёт элементарный точёк. Чем больше толщина слоя обёмного заряда, тем больше суммарный ток. Так что к обычному току насыщения, который существует в р-п переходе, добавляется ещё ток, пропорциональный толщине слоя объёмного заряда, то есть корню квадратному от обратного напряжения.
В разных диодах, приготовленных из разных полупроводников, толщина слоя объёмного заряда различная, и поэтому относительная величина этого вклада неодинакова. Обычно в германиевых р-п переходах этот вклад меньше, а в кремниевых р-п переходах больше, и в реальных кремниевых диодах обратный ток практически всегда пропорционален корню квадратному из модуля напряжения (приближённо).
Но в обратном направлении есть и ещё некоторые особенности, связанные с тем, что на р-п переходе падает большое напряжение. Поэтому при достижении некоторого напряжения наступает электрический пробой полупроводника.
Пробоем называют резкое изменение режима работы p-n-перехода, находящегося под большим обратным напряжением. ВАХ для больших значений обратных напряжений показана на рис. 1.5
Началу пробоя соответствует точка А. После этой точки дифференциальное сопротивление перехода стремится к нулю.
Различают три вида пробоя p-n-перехода:
Туннельный пробой (А-Б),
Лавинный пробой (Б-В),
Тепловой пробой (за т.В).
Туннельныйпробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.
Лавинныйпробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом.
Тепловойпробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода.
Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода.
Напряжения и токи в p-n-переходах зависят от параметров перехода и его температуры.
Основные свойства полупроводниковых диодов. Типы полупроводниковых диодов.
Лекция 5
Полупроводниковые диоды, их вольтамперные характеристики и параметры.
Ge (Д 9 U 15v)
Ge (Д 7 А Б В Г U 400v)
Si (КД 103 А)
Примерное значение обратного тока:
A1 = 2 → (Ge)
A2 = 2.5 → (Si)
Динамические и частотные параметры
▲fдиапазончастот диода 2π/Т, разность значений частот при которых средний выпрямительный ток диода не менее заданной доли его значения частоты.
Rдиф = ▲Uпр/▲Iпр·10ˉ³ (Ом)
Пробой p-n перехода. Виды пробоя переходов
Под пробоем p-n перехода обычно понимают резкое увеличение обратного тока Iобр при увеличении обратного напряжения Uобр до некоторого значения Uпроб, называемого напряжением пробоя.
В зависимости от процессов, имеющих при этом место, пробой перехода может быть обратимым или необратимым.
Обратимым называют такой пробой перехода, когда после устранения причины его вызвавшей, т.е. уменьшения обратного напряжения, происходит резкое уменьшение обратного тока до прежнего значения. При этом не происходит никаких изменений в кристаллической структуре материалов, образующих p-n переход. Обратимый пробой может повторяться сколь угодно раз в процессе эксплуатации прибора.
Необратимым считается пробой приводящий к разрушению кристаллической структуры перехода, когда после уменьшения обратного напряжения обратный ток остаётся большим, при этом свойства перехода не восстанавливаются, прибор приходит в негодность.
Различают три основных механизма пробоя: туннельный (зенеровский или полевой), лавинный и тепловой.
Сущность туннельного эффекта состоит в том, что при большой напряжённости поля, когда энергетические зоны соседних областей занимают положение показанное на рисунке, электроны валентной зоны p-области могут без изменения своей энергии переходить на валентные уровни n-области. Туннельный пробой обычно начинается при напряжённости поля 2·10 7 В/м для германия и 2·10 8 для кремния.
Такая высокая напряжённость поля характерна для узких переходов, т.е. для полупроводников с высокой степенью легирования.
Туннельный пробой носит обратимый характер и широко используется для создания полупроводниковых приборов основанных на этом эффекте.
Лавинный пробой развивается в p-n переходах образованных слаболегированными полупроводниками, когда ширина перехода достаточно велика. При лавинном пробое носители в p-n переходе разгоняясь до больших скоростей приобретают высокую энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристаллической решётки. Высвободившиеся при этом электроны, также приобретая большие энергии, ионизируют всё большее число атомов в переходе. При некотором значении напряжения этот процесс переходит в лавинообразный. Происходит резкое увеличение обратного тока – пробой перехода. Также как и туннельный лавинный пробой носит обратимый характер и также используется для создания различных п/п приборов.
Этот вид пробоя p-n перехода наступает в том случае, если количество тепла, выделяющегося в переходе в единицу времени, пропорциональное мощности рассеиваемой на переходе, становится больше количества тепла отводимого от p-n перехода в единицу времени. В этом случае температура перехода растёт, что приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда, а следовательно к увеличению обратного тока и ещё большему разогреву перехода. Температура и ток лавинно нарастают, причем при повышенной температуре большие значения тока могут иметь место при меньших напряжениях на переходе, чем то напряжение при котором началось резкое увеличение тока, т.е. напряжение пробоя.
Германиевым переходам более присущ тепловой пробой из-за свойственного им большого обратного тока, т.е. в таких приборах тепловой пробой наступает при меньших значениях обратного напряжения, чем туннельный или лавинный пробой. Для кремниевых приборов характерным является туннельный или лавинный пробой, в зависимости от степени легирования. Тепловой пробой в кремниевых приборах обычно развивается в результате разогрева перехода при туннельном или лавинном пробое, в условиях недостаточного теплоотвода.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковый диод представляет собой двухэлектродный прибор, основу которого составляет обычно несимметричный p-n переход. В зависимости от сочетания материалов, применяемых при изготовлении перехода, количества и качества вводимых примесей, а также конфигурации и технологии изготовления полупроводниковые диоды имеют разнообразные характеристики и параметры, определяющие их назначение и область применения.