Краткие лекции по ЭиМ (Методичка по темам из ЭиМ), страница 7

Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием электрический пробой, который является обратимым. К необратимым относяттепловой и поверхностный.Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительнойтолщиной р-п-перехода, образованных слаболегированными полупроводниками.При этом ширина обедненного слоя гораздо больше диффузионной длиныносителей. Пробой происходит под действием сильного электрического поля снапряженностью E ≈(8...12)-10 ,В/см . В лавинном пробое основная рольпринадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в р-ппереходе.Эти носители испытываютсо стороны электрического поляр-п-переходаускоряющеедействие и начинают ускореннодвигаться вдоль силовых линийэтого поля.

При определеннойвеличиненапряженностинеосновные носители заряда надлине свободного пробега l (рис.1.20) могут разогнаться до такойскорости, что их кинетическойэнергииможетдостаточно,оказатьсячтобыприочередном соударении с атомом полупроводника ионизировать его, т.е. «выбить»один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости,образовав при этом пару «электрон - дырка». Образовавшиеся носители тоженачнут разгоняться в электрическом поле, сталкиваться с другими нейтральнымиатомами, и процесс, таким образом, будет лавинообразно нарастать. При этомпроисходит резкий рост обратного тока при практически неизменном обратномнапряжении.Параметром, характеризующим лавинный пробой, является коэффициентлавинного умножения M, определяемый как количество актов лавинногоумножения в области сильного электрического поля.

Величина обратного токапосле лавинного умножения будет равна:I  M  I0MII01U1  U Пn(1.17)Оглавлениегде I0 - начальный ток; U - приложенное напряжение; UП - напряжение лавинногопробоя; п - коэффициент, равный 3 для Ge , 5 для Si.Туннельный пробой происходит в очень тонких р-п-переходах, чтовозможно при очень высокойконцентрации примесей N ≈ 1019 см-3,когда ширина перехода становится малой(порядка 0,01 мкм) и при небольшихзначениях(несколькообратноговольт),напряжениякогдавозникаетбольшой градиент электрического поля.Высокоезначениенапряженностиэлектрического поля, воздействуя на атомыкристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводитк их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер (рис.1.21) из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области.

Причем«просачивание» происходит без изменения энергии носителей заряда. Длятуннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока припрактически неизменном обратном напряжении.Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превыситмаксимально допустимого значения, при котором произойдет перегрев иразрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являютсяобратимыми и могут быть воспроизведены многократно.Тепловым называется пробой р-п-перехода, обусловленный ростомколичества носителей заряда при повышении температуры кристалла. Сувеличением обратного напряжения и тока возрастает тепловая мощность,выделяющаяся в р-п-переходе, и, соответственно, температура кристаллическойструктуры.

Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла иослабевает связь валентных электронов с ними, возрастает вероятность переходаих в зону проводимости и образования дополнительных пар носителей «электрон- дырка». Если электрическая мощность в р-п-переходе превысит максимальнодопустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает, вкристалле происходит необратимая перестройка структуры и р-п-переходразрушается.Для предотвращения теплового пробоя необходимо выполнение условияPрасс  U обр I обр  Pрасс max(1.18)где Pрасс max - максимально допустимая мощность рассеяния р-пперехода.Поверхностный пробой. Распределение напряженности электрическогополя в р-п-переходе может существенно изменить заряды, имеющиеся наповерхности полупроводника.

Поверхностный заряд может привести кувеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего наповерхности перехода может наступить пробой при напряженности поля,меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толщеполупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем.

Большую рольпри возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойствасреды, граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятностиповерхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокойдиэлектрической постоянной.Ёмкость р-п-переходаИзменение внешнего напряжения на р-п-переходе приводит к изменениюшириныобедненногослояи,соответственно,накопленноговнемэлектрического заряда (это также обусловлено изменением концентрацииинжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого р-ппереход ведет себя подобно конденсатору, ёмкость которого определяется какотношение изменения накопленного в р-п-переходе заряда к обусловившему этоизменение приложенному внешнему напряжению.ОглавлениеРазличают барьерную (или зарядную) и диффузионную ёмкость р-пперехода.Барьерная ёмкость соответствует обратновключенному р-п-переходу,(1.19)который рассматривается как обычный конденсатор, где пластинами являютсяграницы обедненного слоя, а сам обедненный слой служит несовершеннымдиэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями: SC 0бар , (1.19)гдеεотносительная-диэлектрическаяпроницаемостьполупроводникового материала; ε0 - электрическая постоянная ( ε0 ≈ 8,86·1012Ф); S - площадь р-п-перехода; δ - ширина обеднённого слоя.мБарьерная ёмкость возрастает при увеличении площади р-п-перехода идиэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении шириныобедённого слоя.

В зависимости от площади перехода Сбар может быть отединиц до сотен пикофарад.Особенностью барьерной емкости являетсято, что она является нелинейной ёмкостью. Привозрастаниипереходаобратногонапряженияувеличиваетсяуменьшается.иХарактерширинаёмкостьСбарзависимостиСбар = f (Uобр) показывает график на рис. 1.22. Каквидно,подизменяетсявлияниемвUпробнесколькораз.ёмкостьСбарДиффузионнаяРис.

1.22. Зависимость барьерной ёмкостиобратного напряженияёмкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в п- и робластях при прямом напряжении на переходе. Она практически существуеттолько при прямом напряжении, когда носители заряда диффундируют(инжектируют) в большом количестве через пониженный потенциальный барьероти, не успев рекомбинировать, накапливаются в п- и р-областях. Каждомузначению прямого напряжения соответствуют определенные значения двухU прразноименных зарядов +Qдиф и R ст  tg , , накопленных в п- и рI пробластях за счет диффузии носителей через переход. Ёмкость Сдиф представляетсобой отношение зарядов к разности потенциалов:QдифСдиф U пр.

(1.20)С увеличением Uпр прямой ток растет быстрее, чем напряжение, т.к. вольтамперная характеристика для прямого тока имеет нелинейный вид, поэтомуQдиф растет быстрее, чем Uпр и Сдиф увеличивается.Диффузионная ёмкость значительно больше барьерной, но использовать еене удается, т.к. она шунтируется малым прямым сопротивлением р-п-перехода.Численные оценки величины диффузионной ёмкости показывают, что еезначение доходит до нескольких единиц микрофарад.Таким образом, р-п-переход можно использовать в качестве конденсаторапеременной емкости, управляемого величиной и знаком приложенногонапряжения.Контакт «металл - полупроводник»В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с р-ппереходом применяются контакты «металл - полупроводник».Контакт «металл - полупроводник» возникает в месте соприкосновенияполупроводникового кристалла n- или р-типа проводимости с металлами.Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выходаэлектрона из металла Ам и из полупроводника Ап .

Под работой выходаэлектрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровняОглавлениеФерми на энергетический уровень свободного электрона. Чем меньше работавыхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.В результате диффузии электронов и перераспределения зарядовнарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе разделаобластей, возникает контактное электрическое поле и контактная разностьпотенциаловконт ( Aм  Aп )q. (1.21)Переходный слой, в котором существует контактное электрическое полепри контакте «металл - полупроводник», называется переходом Шоттки, поимени немецкого ученого В.

Шоттки, который первый получил основныематематические соотношения для электрических характеристик таких переходов.Контактное электрическое поле на переходе Шоттки сосредоточенопрактически в полупроводнике, так как концентрация носителей заряда в металлезначительно больше концентрации носителей заряда в полупроводнике.Перераспределение электронов в металле происходит в очень тонком слое,сравнимом с межатомным расстоянием.Взависимостиоттипаэлектропроводностиполупроводникаисоотношения работ выхода в кристалле может возникать обеднённый, инверсныйили обогащённый слой носителями электрических зарядов.Рис.