Лавинный пробой
Лавинный пробой относится к электрическому виду пробоя и проявляется в p-n переходах средней величины, то есть ширина p-n перехода достаточна большая. При увеличении значения обратного напряжения на p-n переходе напряженность электрического поля E = UОБР/lОБР (В/см) растет. Когда напряженность электрического поля достигает критического значения EКР = (80¸120) кВ/см, то создаются условия для ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника непосредственно в p-n переходе быстрыми электронами или дырками, которые получили достаточное ускорение за счет действия напряженности электрического поля p-n перехода. Механизм ударной ионизации нейтральных атомов p-n перехода иллюстрируется на рис.27.
В результате ударной ионизации генерируются новые пары носителей заряда, которые, в свою очередь, ускоряясь под действием напряженности электрического поля, вновь при столкновении с нейтральными атомами полупроводника образуют новые электронно-дырочные пары. Ионизацию нейтральных атомов совершают только те электроны и дырки, которые на длине свободного пробега электрона набирают за счет напряженности электрического поля энергию, достаточную для ионизации. Поэтому ширина p-n перехода должна быть достаточна большая, а именно много больше длины свободного пробега электрона :
lОБР >> l.
 |
Рис.27
С ростом UОБР увеличивается ширина p-n перехода и напряженность электрического поля в нем, электроны разгоняются сильнее, резко возрастает число ионизаций, совершаемых каждым электроном, и ток p-n перехода лавинообразно растет.
Напряжение лавинного пробоя определяется из соотношения
UПРОБ=А×rбВ,
где rб - удельное электрическое сопротивление базы диода;
А, В - коэффициенты, зависящие от материала и типа электропроводности полупроводника, их значения указаны в таблице .
| Материал и тип перехода | А | В |
| Германиевый переход, база p-типа | 0,6 | |
| Германиевый переход, база n-типа | 0,6 | |
| Кремниевый переход, база p- типа | 0,75 | |
| Кремниевый переход, база n- типа | 0,65 |
Так, например, для базы p-n перехода n-типа
,
где е – заряд электрона;
mn – подвижность электронов;
nn – концентрация электронов - основных носителей заряда полупроводника n-типа.
Чем меньше концентрация примесей в базе p-n перехода, тем выше ее удельное электрическое сопротивление, шире p-n переход, меньше в нем напряженность электрического поля и соответственно более высокое значение напряжения лавинного пробоя. Эмпирические коэффициенты А и В различны не только для p-n переходов из разных материалов, но и для переходов из одного и того же материала с разными типами электропроводности базы (p+-n и n+-p). Связано это различие в коэффициентах с тем, что подвижность электронов отличается от подвижности дырок в одном и том же материале.
Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с лавинным пробоем представлена на рис.28.
Лавинный пробой характерен для p-n переходов с напряжением пробоя более 7 В.
Зависимость 1 рис.28 соответствует температуре окружающей среды T1 = +20°С. С увеличением температуры окружающей среды лавиннный пробой наступает при большем напряжении (½UПРОБ2½ > ½UПРОБ1½). Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки полупроводника и уменьшается длина свободного пробега носителей заряда l , а значит, и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в
электрическом поле. Поэтому для получения энергии, необходимой для
ударной ионизации нейтральных атомов, требуется бо¢льшая напряженность
электрического поля в p-n переходе, и, следовательно, напряжение
лавинного пробоя возрастает.
С другой стороны, при увеличении температуры уменьшается подвижность носителей заряда полупроводника, растет удельное электрическое сопротивление базы p-n перехода, а в соответствии с соотношением
UПРОБ ~ rб
напряжение лавинного пробоя также возрастает.
На рис.28 зависимость 2 изображена для температуры окружающей среды T2 = +50°С. Таким образом, температурный коэффициент напряжения при лавинном пробое имеет положительное значение:
ТКНЛАВ = DUПРОБ/DТ > 0,
где DUПРОБ = UПРОБ2 – UПРОБ1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину DТ при фиксированном значении обратного тока.
 |
Рис.28
Вопросы для самопроверки
1. Какой полупроводник называется собственным?
2. Какой полупроводник называется примесным?
3. Что такое энергия (уровень) Ферми?
4. Укажите и поясните расположение уровня Ферми для собственного полупроводника, примесных полупроводников p- и n-типов.
5. Как зависит положение уровня Ферми примесных полупроводников от концентрации примеси и температуры?
6. Как связаны концентрации основных и неосновных носителей заряда в полупроводнике n-типа?
7. Что такое собственная концентрация электронов и дырок и как она зависит от материала полупроводника, температуры?
8. Как зависит концентрация основных и неосновных носителей заряда от степени легирования и температуры?
9. Назовите основные факторы, от которых зависят время жизни и диффузионная длина неравновесных носителей заряда?
10. Объясните механизм образования p-n перехода.
11. Какие электронно-дырочные переходы называют симметричными, а какие несимметричными?
12. Какие электронно-дырочные переходы называют резкими, а какие плавными?
13. Нарисуйте распределение объемных и подвижных зарядов, напряженности электрического поля и потенциала в области несимметричного p-n перехода в равновесном состоянии.
14. В чем заключаются условия равновесия p-n перехода?
15. Что такое контактная разность потенциалов и от чего она зависит?
16. Нарисуйте энергетическую диаграмму несимметричного p-n перехода в равновесном состоянии.
17. Нарисуйте энергетическую диаграмму прямосмещенного p-n перехода.
18. Как зависит ширина p-n перехода от концентрации примеси и от приложенного напряжения?
19. Что такое инжекция носителей заряда?
20. Нарисуйте энергетическую диаграмму обратносмещенного p-n перехода.
21. Что такое экстракция носителей заряда?
22. Как зависит ширина p-n перехода и энергетический барьер от температуры?
23. Запишите выражение для вольтамперной характеристики идеального
p-n перехода.
24. Нарисуйте вольтамперные характеристики германиевого, кремниевого и арсенид-галлиевого переходов и объясните их отличие.
25. Объясните влияние температуры на ход вольтамперной характеристики p-n перехода.
26. Что показывает температурный коэффициент напряжения?
27. Объясните влияние степени легирования на ход вольтамперной характеристики p-n перехода.
28. Какая область p-n перехода называется базой, а какая эмиттером?
29. Как влияет сопротивление базы на ход прямой ветви характеристики p-n перехода?
30. Как зависит величина обратного тока p-n перехода от концентрации примеси и температуры?
31. Объясните зависимость обратного тока в реальных p-n переходах от величины обратного напряжения.
32. Что такое пробой?
33. Назовите основные виды пробоев p-n переходов.
34. Поясните механизм и условия возникновения теплового пробоя.
35. Как влияет температура окружающей среды на напряжение теплового пробоя?
36. Поясните механизм и условия возникновения лавинного пробоя.
37. Поясните механизм и условия возникновения полевого пробоя.
38. Как зависит величина напряжения полевого пробоя от степени легирования областей p-n перехода?
39. Как изменится ход вольтамперной характеристики p-n перехода с лавинным пробоем, если концентрацию примесей в базе уменьшить?
40. Почему с ростом температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается?
41. Почему с ростом температуры напряжение полевого пробоя уменьшается?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электронные приборы: Учебник для вузов/В.Н.Дулин, Н.А.Аваев, В.П.Демин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1989. 496 с.
2. Батушев В.А. Электронные приборы: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1980. 383 с.
3. Пасынков В.В., Чиркин А.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1987. 479 с.
4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1991. 621 с.
5. Завадский В.А. Компьютерная электроника: Учебник для вузов. Киев: ВЕК, 1996. 368с.
6. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов: Учебное пособие. 2-е изд., испр. и доп. М.:Сов. радио, 1969. 542 с.
7. Епифанов Г.И. Физика твердого тела: Учебное пособие для втузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1977. 288с.
8. Ржевкин К.С. Физические принципы действия полупроводниковых приборов: М.: изд-во МГУ, 1986. 256с.
9. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ.
2-е изд. перераб. и доп. М.:Мир,1984. Кн. 1. 456с.
10. Антипов Б.Л., Сорокин В.С., Терехов В.А. Материалы электронной техники. Задачи и вопросы: Учебное пособие для вузов/ Под ред.
В.А. Терехова. М.: Высш. шк., 1990. 208 с.
11. Жеребцов И.П. Основы электроники: Учебное пособие для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат,1989. 352 с.
Вячеслав Ильич Елфимов
Наталья Степановна Устыленко