Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (Основы электроники и микроэлектроники (книга)), страница 8

!.2.4. Вольт-амперная характеристика электронно- дырочного перехода. Пробой и емкость р-л перехода Вольт-ампирная характеристика р-и перехода представляет собой зависимость прямого тока от прямого напряжения и обратного тока от обратного напряжения (рис. 1.11). Эта характеристика имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную — в третьем квадранте. Зона проэо- О - э кэноотэ джа Ваээктэээ эОна Рис. (.((.

Вольт-ампернаи характеристика р-и перехода и влияние температуры на прямой и обратный токи (о); виды пробоя р-л перехода (б): ! — аавинный пробой; 2 — туннедьный пробой; 3 — тепловой пробой; энергетическая диаграмма,иллюстрирукнпая туннедьный пробой (в) Прямой ток создается диффузией через р-л переход основных носителей заряда. С увеличением У„э от О до значения, равного 0„, ток 1„, растет медленно и остается очень малым.

Это объясняется наличием потенциального барьера, который препятствует, несмотря на снижение, диффузии основных носителей заряда, а также большим сопротивлением области р-л перехода, обедненной носителями заряда. С дальнейшим увеличением У„, потенциальный барьер исчезает и прямой ток быстро нарастает.

Это соответствует интенсивной диффузии через р-л переход основных носителей заряда при отсутствии области перехода, обедненной этими носителями заряда. Обратный ток создается дрейфом через р-л переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого. Прн небольшом увеличении обратного напряжения от О обратный ток сначала возрастает до значения, равного величине теплового тока й, а с дальнейшим увеличением !).ээ ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьшает результирующий ток в обратном направлении.

Когда эта диффузия прекращается. величина обратного тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя (l,срэм,э, приводит к пробою электроннодырочного перехода, т. е.

к резкому уменьшению обратного сопротивления н, соответственно, росту обратного тока. Свойство р-и перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выл рямляющим переходом. На рис.

1.11, а пунктирной линией показано влияние повышения температуры на прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики р-л перехода. Прямая ветвь при более высокой температуре располагается левее, а обратная — ниже. Таким образом, повышение температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерацин пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера гро Рассмотрим причины, вызывающие пробой р-п перехода и процессы, которые при этом происходят.

Пробоем р-и перехода называют, как было сказано, резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения (т'.ээ„,„,. Пробой р-и перехода происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрастания процессов генерации пар свободный электрон — дырка. В зависимости от причин, вызывающих дополнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой в свою очередь делится на лавинный и туннельный. Лавинный пробой — электрический пробой р-л перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под дейст- 32 2-1663 зз вием сильного электрического поля.

Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носителями заряда. ви я а. Движение этих носителей заряда с повышением в обласбр тного напряжения ускоряется электрическим полем в ласти -и перехода. При достижении определенной напряженн ости электрического поля они приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки.

Движение образованных при такой ионизации атомов пар электрон — дырка также ускоряется электрическим полем, и они в свою очередь участвуют в дальнейшей ионизацни атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением. Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, име ющих большую ширину р-и перехода. В этом случае ускоряев п омемые электрическим полем носители заряда успевают в пр жутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между дв м двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на р-и переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви / вольт-амперной характеристики (см. рис. .1, ). Туннельиый пробой — это электрический пробой р-и перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с узким р-и р-и переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность эл рического поля.

При этом возможен туннельный эффект, заключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области непосредственно в зону проводимости и-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электрического поля на границе двух областей с разными типами электропроводности энергетические зоны искривляются так, что энергия валентных электронов р-области становится такой же, как энергия свободных электронов и-области (рис.

!.11,в). Электроны переходят на энергетической диаграмме как бы по горизонтали из заполненной зоны в находящуюся на том же уровне свободную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе, соответственно, через р-и переход. В результате перехода дополнительных неосновных носителей заряда возникает туннельный ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на р-и переходе при туннельном пробое остается постоянным (вертикальный участок кривой 2 на рис. 1.11,б). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается. Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного, не разрушают р-и переход и не выводят прибор из строя.

Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются. Тепловой пробой вызываешься недопустимым перегревом р-и перехода, в результате которого происходит интенсивная генерация пар носителей заряда — разрушение ковалентных связей за счет тепловой энергии. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока. Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности р-и перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок р-п перехода расплавляется; прибор приходит в негодность.