Механизмы пробоя p-n-перехода

Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЛАРУСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Реферат

на тему: Механизмы пробоя p-n-перехода

Подготовил

студент 4 курса 1 группы

Ящук Андрей

Минск 2012

1. Обратный ток p-n перехода

При обратном смещении p-n перехода в нем протекает лишь небольшой ток, называемый обратным. Этот ток I₀ и формирует обратную ветвь ВАХ p-n перехода. В общем случае I₀ состоит из четырех составляющих: теплового тока, тока термогенерации, тока утечки и канального тока.

Тепловой ток обусловлен термогенерацией электронно-дырочных пар в областях p- и n-типа, удаленных от i-области не далее чем на диффузионную длину (рис. 1). Строго говоря, диффузионная длина для эмиттера и базы будет разной, но этот факт не играет принципиальной роли для качественного рас­смотрения теплового тока. Электроны и дырки, возникающие в структуре, будут сортироваться электрическим полем: электроны устремляются в n-область, а дырки - в p-область. Следует отметить, что если термогенерации носителей заряда произошла в каком-либо месте структуры, удаленном от i-области более чем на L, то эти носители не смогут уже дойти до i-области - они раньше рекомбинируют и, естественно, не примут участия в образовании теплового тока.

Поскольку тепловой ток обусловлен процессами термогенерации носителей заряда, то он довольно сильно возрастает при увеличении температуры. Обычно тепловой ток возрастает в 2 раза при увеличении температуры на каждые 10°С. Естественной представляется зависимость теплового тока от ширины запрещенной зоны полупроводника, из которого выполнен p-n-переход. Чем больше е, тем меньше вероятность термогенерации при заданной температуре и, следовательно, меньше тепловой ток. Относительно теплового тока остается заметить, что он является основной составляющей обратного тока у германиевых p-n переходов и слабо зависит от величины приложенного обратного напряжения.

Другой составляющей обратного тока является ток термогенерации, который обусловлен генерацией носителей заряда в i-области под действием тепла. Этот ток отличается от теплового только местом, где образуются подвижные носители заряда. Величина тока термогенерации пропорциональна объему обедненного слоя, т. е. ширине p-n перехода. Он растет при увеличении L, т. е. пропорционален .

Поскольку ток термогенерации, также как и тепловой ток образуется за счет термогенерации носителей заряда, то он, подобно тепловому, возрастает при увеличении температуры. Однако это возрастание происходит более интенсивно. Обычно ток термогенерации возрастает в 3 раза при увеличении температуры на каждые 10°С.

В германиевых p-n переходах ток термогенерации пренебрежимо мал в сравнении с тепловым, а для переходов из кремния и арсенида галлия может стать заметной частью I₀ при высоких температурах.

Третьей составляющей обратного тока p-n перехода является ток утечки. Для p-n переходов, изготовленных из «достаточно широкозонных полупроводников, поверхностные утечки могут явиться основной составляющей, определяющей величину тока I₀. Ток утечки обусловлен многими факторами: поверхностными энергетическими уровнями, молекулярными и ионными пленками, различными загрязнениями и т. д. При повышении напряжения ток утечки возрастает по линейному закону или еще более круто. Влияние же температуры на ток утечки выражено сравнительно слабо. Отметим, что характерной особенностью тока утечки является его временная нестабильность. Образование тока утечки, как правило, связано с несовершенством технологии изготовления. Примером p-n перехода, у которого ток утечки является основной составляющей обратного тока, является кремниевый переход, выполненный по сплавной технологии.

Четвертой составляющей обратного тока p-n перехода является канальный ток. Он является основной составляющей для кремниевых p-n переходов, выполненных по планарной технологии. Не вдаваясь здесь в особенности планарной технологии, отметим, что при ее использовании поверхность кремниевых p-n переходов покрывается защитной пленкой SiO₂. Это покрытие, с одной стороны, практически устраняет ток поверхностной утечки, но, с другой стороны, порождает канальный ток. Канальный ток возникает за счет образования канала (очень тонкого слоя) n-типа в приповерхностной области p-типа, покрытой пленкой SiO₂. Отметим, что канальный ток очень маленький: десятые доли или единицы наноампер.

Заканчивая рассмотрение обратного тока отметим, что, хотя на его величину и влияют многие факторы, все же можно считать, что он возрастает при уменьшении ширины запрещенной зоны полупроводника, из которого выполнен p-n переход. Так, обратный ток в германиевых p-n переходах обычно на три - четыре порядка выше, чем в кремниевых.

2. Пробой p-n перехода

электрический тепловой пробой переход

Как отмечалось выше, при рабочих величинах обратных напряжений I₀ невелик. Однако при превышении определенного уровня U обратный ток реального p-n перехода быстро увеличивается, т. е. наступает пробой. Под пробоем p-n-перехода понимается явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Все разновидности пробоя p-n перехода можно разделить на две основные группы пробоев: электрические и тепловые. Электрические пробои связаны с увеличением напряженности электрического поля в запорном слое p-n перехода, а тепловые - с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.

Рассмотрим, прежде всего, основные разновидности электрического пробоя: полевой (зенеровский), лавинный и поверхностный. Вид ВАХ электрического пробоя представлен на рис. 2. Основное внешнее отличие разновидностей электрического пробоя проявляется в величинах пробивного напряжения.

В узких p-n переходах при относительно небольших обратных напряжениях (U ? 7В) обычно возникает полевой пробой. В основе полевого пробоя могут лежать несколько эффектов. Так, под действием большой напряженности электрического поля становится возможной генерация носителей заряда энергиями меньше е. При малых пробивных напряжениях основным эффектом, определяющим развитие полевого пробоя, становится туннельный. Электрический пробой, возникающий под действием этого эффекта, часто называют туннельным.

В относительно широких p-n переходах при обратных напряжениях больше 15 В возникает лавинный пробой, механизм которого заключается в лавинном размножении носителей заряда в сильном электрическом поле под действием ударной ионизации. Электрон и дырка в запорном слое p-n перехода, ускоренные электрическим полем на длине своего свободного пробега, могут при столкновении с решеткой кристалла разорвать валентную связь. В результате рождается новая пара «электрон-дырка» и процесс повторяется под действием этих новых носителей. Таким образом, сопротивление p-n перехода начинает падать, а ток резко возрастать.

Для того чтобы носители заряда успели приобрести высокую скорость, необходимую при ударной ионизации, путь и время их разгона должны быть относительно велики. Поэтому лавинный пробой и наблюдается только в широких p-n переходах, т. е. переходах, использующих слаболегированные полупроводники.

В области p-n перехода, выступающей на поверхность, обычно имеет место значительное изменение напряженности электрического поля. Поверхностный заряд может привести как к уменьшению, так и к увеличению l. В результате этого на поверхности p-n перехода происходит электрический пробой при напряжении, меньшем, чем в объеме. Это явление носит название поверхностного пробоя. Большую роль в возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства поверхностных покрытий.

В некоторых случаях раньше, чем возникнет электрический пробой, может произойти тепловой. В принципе существует несколько разновидностей и теплового пробоя - обычно различные локальные пробои. Однако основной интерес представляет тепловой пробой, возникающий за счет большого l₀. Этот пробой возникает в тех случаях, когда не обеспечивается необходимый отвод тепла от p-n перехода.

Чаще всего тепловой пробой возникает в мощных германиевых p-n переходах, поскольку в них протекает большой обратный ток. Поскольку l_о велик, то даже при небольших обратных напряжениях (меньших напряжения электрического пробоя) выделяется большая мощность P = UI0. Эта мощность нагревает p-n переход, что вызывает возрастание I₀, который, в свою очередь, увеличивает P. Такая взаимосвязь приводит к резкому увеличению тока, т. е. к пробою p-n перехода.

На рис. 3 приведена типовая обратная ветвь ВАХ p-n перехода при тепловом пробое. Такая характеристика имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Начало этого участка соответствует температуре p-n перехода, близкой к t_кр.

Заметим, что если I₀ вырос благодаря электрическому пробою, то после этого может наступить тепловой пробой. Соответственно на ВАХ после вертикального пробойного участка, свойственного электрическому пробою, может иметь место участок с отрицательным сопротивлением.

Необходимо подчеркнуть, что тепловой пробой является крайне нежелательным явлением, поскольку он приводит к выходу p-n перехода из строя. Поэтому в тех случаях, когда возможен тепловой пробой, необходимо последовательно с p-n переходом включать токоограничивающее сопротивление.

Источники и литература

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/P-n-переход

2. http://fn.bmstu.ru/phys/bib/physbook/tom6/ch4/texthtml/ch4_5.htm

3. http://electronics.bntu.edu.by/?p=1627

4. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/2896.html

5. http://konspektiruem.ru/articles/electronics/Poluprovodniki._Obrazovanie_P-N_perehoda/

6. Грехов И.В., Сережкин Ю.Н. «Лавинный пробой p-n перехода в полупроводниках»

7. Москатов Е.А. Книга «Электронная техника. Начало»

Размещено на Allbest.ru