ПРОБОЙ р-n ПЕРЕХОДА

Как отмечалось выше, при рабочих величинах обратных напряжений I₀ неве­лик. Однако при превышении определенного уровня U обратный ток реального р-п перехода быстро увеличивается, т. е. наступает пробой. Под пробоем р-п перехода понимается явление резкого увеличения обратного тока при до­стижении обратным напряжением определенного критического значения. Все разновидности пробоя р-п перехода можно разделить на две основные группы пробоев: электрические и тепловые. Электрические пробои связаны с увеличе­нием напряженности электрического поля в запорном слое р-п 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. 1.13. Основное внешнее отличие разновидностей электрического пробоя проявляется в величинах пробивного напряжения.

В узких р-п 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 ε₃. 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 р-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 р-п 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 р-п 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 р-п переходах, т. е. переходах, использующих слаболегированные полу­проводники.

В области р-п 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 р-п 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 lо. Этот пробой возникает в тех случаях, когда не обеспечивается необходимый отвод тепла от р-п перехода.

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

На рис. 1.14 приведена типовая обратная ветвь ВАХ р-п перехода при теп­ловом пробое. Такая характеристика имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Начало этого участка соответствует температуре р-п 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 р-п перехода из строя. Поэтому в тех случаях, когда возможен тепловой пробой, необходимо после­довательно с р-п переходом включать токоограничивающее сопротивление.