6.8 Пробій р-п-переходу

На рис. 6.18 показана зміна зворотного струму р-n-переходу із зростанням зворотної напруги. При певному значенні V_зв = V_проб спостерігається різке збільшення зворотного струму. Це явище одержало назву пробою переходу, а напруга V_проб при якому відбувається пробій, називають напругою пробою.

Залежно від характеру фізичних процесів, що обумовлюють різке зростання зворотного струму, розрізняють 4 основні типи пробою: тунельний, лавинний, тепловий і поверхневий.

Тунельний пробій. При поданні до р-n-переходу достатньо високого зворотного зсуву заповнені рівні валентної зони р-області напівпровідника можуть розташуватися проти незаповнених рівнів зони провідності n-області (рис. 6.19, а). В цьому випадку можливий прямий тунельний перехід електронів з валентної зони р-області в зону провідності n-області, що просочуються крізь потенціальний бар'єр завтовшки х і висотою, змінною від Е у точці до 0 в точці . Із збільшенням товщина бар'єра зменшується (рис. 6.19, б) і напруженість поля у ньому росте. Якщо р-n-перехід достатньо тонкий, то вже при порівняно невисокому поле досягає такого значення, при якому починається інтенсивне тунелювання, електронів крізь р-n-перехід і його пробій. Для германію це відбувається при В/м, для кремнію при В/м. Такий пробій називається тунельним. Зворотна гілка ВАХ переходу, що відповідає цьому типу пробою, показана на рис. 6.18 кривої 2. Із збільшенням товщини р-n-переходу вірогідність тунельного просочування електронів зменшується і вірогіднішим стає лавинний пробій.

Лавинний пробій. В достатньо широких р-n-переходах при високих зворотних напругах неосновні носії можуть набувати в полі переходу настільки високу кінетичну енергію, що виявляються здатними викликати ударну іонізацію напівпровідника. В цьому випадку відбувається лавинне наростання зворотного струму, що приводить до лавинного пробою переходу. В області пробою зміна зворотного струму із зростанням напруги є дуже крутою (крива 3, рис. 6.18). Цей ефект використовується для стабілізації напруги. Діоди, призначені для роботи в такому режимі, називаються стабілітронами. Вони виготовляються з кремнію, оскільки кремнієві діоди мають вельми круту зворотну гілку і в широкому діапазоні робочих струмів у них не виникає теплового пробою, що приводить до появи на зворотній гілці ВАХ ділянки з негативним опором, як це має місце у германієвих приладах (крива 1, рис. 6.18).

Тепловий пробій. При протіканні зворотного струму в р-n-переході виділяється тепло і його температура підвищується. Збільшення температури визначається якістю тепловідведення, з характерним тепловим опором . Цей опір рівний приросту температури переходу з розрахунку на одиницю потужності , що виділяється в ньому, тому . Збільшення температури викликає збільшення зворотного струму, що в свою чергу приводить до нормального зростання температури і зворотного струму і т.д. При певній потужності , тим більшої, чим менший тепловий опір приладу , струм починає наростати лавинно і наступає тепловий пробій р-n -переходу.

Рисунок 6.19 – Тунельне проходження електронів через р-n-перехід

Поверхневий пробій. Заряд, що локалізується на поверхні напівпровідника в місці виходу р-n-переходу, може викликати сильну зміну напруженості поля в переході і його ширини. В цьому випадку вірогіднішим може виявитися поверхневий пробій переходу, що детально буде розглянуто в подальших підрозділах цього розділу.