Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Длина его определяется толщиной р-л-перехода, т. е. может составлять десятки микрометров. Поэтому, учитывая малый объем шнура, следует заключить, что для развития теплового пробоя в реальных диодах при шиуроваиии тока требуется очень малая мощность, т. е. тепловой пробой может происходить при малых обратных токах и малых обратных напряжениях.
Удельная мощность, выделяе- 117 мая в единичном объеме шнура, даже при очень малых обратных токах через диод оказывается довольно большой. Для возникновения теплового пробоя в соответствии с (3,87) необходим перегрев шнура примерно на 1О К. Это свидетельствует, во-первых, о том, что опять необходима малая мощность для развития теплового пробоя, и, во-вторых, о том, что тепловой пробой — это явление обратимое, если, конечно, ограничить обратный ток при пробое, не доводя разогрев шнура до появления необратимых физико-химических процессов в полупроводнике.
рад Рнс. 3.23. ВАХ прн тепловом пробое диода и гиперболы равной мошиости Рнс 3.24. ВАХ шнура (11 н шунтнруюшего сопротивлении остальной части р-п-пе. рехода (2), которые в сумме могут дать у-образную ВАХ диода Щ при тепловом про- бое Следствием малого объема шнура, по которому происходит тепловой пробой, является также малая инерционность процесса теплового пробоя реальных диодов.
Тепловые постоянные времени нагрева и охлаждения шнура могут быть порядка 1О б — 1О ' с. При этом еще надо учесть, что при тепловом пробое напряжение на диоде уменьшается и барьерная емкость р-я-перехода диода разряжается через сопротивление шнура с выделением добавочной мощности в шнуре.
Это явление способствует ускорению разогрева шнура и уменьшению инерционности процесса теплового пробоя. Еще одним следствием шнурования тока при тепловом пробое диода является возможность получения своеобразной ВАХ— так называемой у-образной ВАХ, которая на первый взгляд противоречит тепловому механизму пробоя диода. Действительно, с увеличением тока через диод температура р-л-перехода все время должна возрастать, что видно как из уравнения теплового баланса (3.78), так н из соотношения (3.79). Таким образом, кривые (гиперболы) равной мощности должны пере- 1!й секать ВАХ диода с учетом тепловыделения в р-и-переходе только в одной точке (рис.
3.23). Однако тепловой пробой происходит по шнуру с очень малым поперечным сечением. Если бы удалось из всего р-и-перехода выделить шнур, то его ВАХ соответствовала бы всем условиям теплового пробоя (кривая / на рис. 3.24). Через остальную часть р-п-перехода, площадь которой на несколько порядков больше поперечного сечения шнура, идет обратный ток, т.
е. ее можно характеризовать некоторым сопротивлением )с. Для простоты будем считать сопротивление Аг постоянным — с линейной ВАХ (кривая 2). Если сопротивление (г окажется меньше абсолютного значения отрицательного дифференциального сопротивления шнура на падающем участке его ВАХ, то суммарная ВАХ диода (кривая 3) будет иметь у-образный вид. Следовательно, у-образные ВАХ не противоречат тепловому механизму пробоя диода. Как отмечалось, пробивное напряжение при тепловом пробое уменьшается с повышением температуры окружающей среды. Однако тепловому пробою может предшествовать лавинный пробой, для которого характерен положительный температурный коэффициент пробивного напряжения.
Поэтому температурная зависимость пробивного напряжения для диода при наличии теплового и лавинного пробоев может быть сложной и даже немонотонной, так как при больших температурах тепловой пробой может наступать без предшествующего лавинного пробоя. ЕЗЛ4. ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЙ НА ВОЛЬТ.АМПЕРНУЮ Х*Р*КТЕРИСТИКУ ДИОДА В реальном полупроводниковом диоде выпрямляющий электрический переход обязательно выходит на поверхность полупроводника.
В связи с этим состояние поверхности влияет на ВАХ диода. Это влияние значительно сильнее сказывается на обратной ветви ВАХ, так как обратные токи очень малы. Рис. 3.25, Влннине поверхностных состоиинй на обратную ветвь ВАХ днодаг 0 — без учета поверхностных состоинна; à — с учетом ге иераннн носителей заркда иа поверхности, 2 — прн ка личин канала поверхностной злектропролодности;3 — прн обогащенном слое иа поверхности базы 70рр Характер влияния поверхностных состояний зависит от знака и значения поверхностного заряда. Рассмотрим три возможных варианта влияния поверхностных состояний.
1ш Генерация носителей заряда на поверхности полупроводника Каналы поверхностной электропроводиостн е Рис. 3227. Пути движения иеосновных носителей заряда при налипии на поверхности базы канала поверкностной злектропроводности (а) и распределение напряжения вдоль канала (б) р+ и +а+а+аз++++ а+а++ р+ и а, Поверхностный пробой а) Рис. 3.28. Зависимости пробивного напряжения диода от поверхностного заряда, создающего обогащенный слой у поверхности базы, при разных конпеитраниих примесей в базе 12О 121 Генерация и рекомбинация носителей заряда на поверхности полупроводника„ как правило, проходят более интенсивно, чем в его объеме (см.
$ 1.2). На обратные токи полупроводникового диода генерация носителей заряда иа поверхности оказывает такое же влияние, как и генерация носителей в объеме. Однако обратные токи диода зависят от скорости поверхностной генерации, а скорость поверхностной генерации может изменяться со временем из-за изменения поверхностного заряда. В любом случае обратные токи диода с учетом генерации носителей заряда иа поверхности должны быть больше по сравнению с токами без генерации носителей на поверхности (кривая 1 иа рис. 3.25). Если на поверхности полупроводника существует большой поверхностный заряд, совпадающий по знаку с зарядом основных носителей в базе диода, то такой поверхностный заряд отталки- Рис. 3.26. Искажение гранин р-и-перехода под влиянием поверхностного заряда: а — прп пбрпзоппапп ппппрсппгп слоя иа ппппахипспя база Пяплп, Π— пап ппрв- зовпиии пбпгпщепвпго слоя иа поверхности базы лиоаа вает основные носители от поверхности базы и притягивает к поверхность неосновиые носители, что приводит к образованию инверсного слоя по всей поверхности базы (рнс.
3.26, а). При возникновении инверсного слоя увеличивается плошадь р-и-перехода. Теперь экстракцня иеосновных носителей из базы будет происходить не только нз слоя базы толщиной !.и, примыкающего к р-и-переходу в объеме, но и нз такого же слоя, примыкающего к поверхности базы (рис. 3.27, а). Таким образом, инверсный слой тоже может принимать участие в сборе неосновных носителей заряда из базы диода. В связи с тем что вдоль инверсного слоя проходит ток, напряжение между инверсным слоем н объемом базы не остается постоянным — по мере удаления от металлургической границы р-и-перехода оио уменьшается (рис. 3.27, б) .
При этом надо учитывать большое удельное сопротивление инверсного слоя из-за малой его толщины. Тогда иа некотором расстоянии 1 от металлургической границы р-и-перехода это напряжение примерно равно йТ(г). Следовательно, ие весь инверсный слой участвует в сборе иеосновных носителей, а только его часть протяженностью !. Ту часть инверсного слоя, которая принимает участие в экстракции неосиовиых носителей заряда, называют каналом поверхностной электроироводности. При увеличении обратного напряжения на диоде увеличивается и длина канала поверхностной электропровод- ности (рис.
3.27, б). Таким образом, обратная ветвь ВАХ диода при наличии канала поверхностной электропроводности в базовой области ие будет иметь участка насыщения (см. рнс. 3.25, кривая 2). Поверхностназм иробоем р-и-перехода называют пробой перехода, который происходит в месте выхода перехода на поверхность кристалла н иа пробивное напряжение которого оказывают влияние поверхностные состояния. Если поверхностный заряд (заряд поверхностных состояний) имеет знак, противоположный знаку основных носителей в базе диода, то иа поверхности базы образуется обогащенный слой (см.
$1.!3). Из-за возникновения обогащенного слоя толщина р-и- перехода у поверхности базы уменьшается, так как диффузионное электрическое поле перехода проникает в обогащенный слой иа меньшую глубину Изменение концентрации основных носителей $ 3.!Д ПРОЦЕССЫ В ДИОДАХ при еОльших прямых тОкАх Р— Р о = ВР. ~нее, Ри Рло ни нло или для полупроводника р-типа р„ж и„— Л',.
(3,89) нр про = Лир С Рро Появление электрического поля в базе !22 !22 (см. рис. 3.26, б). Влияние поверхностного заряда сказывается в основном иа области базы, потому что ее удельное сопротивление велико. В связи с меньшей толщиной р-н-перехода у поверхности пробой диода будет происходить именно там, а пробивное напряжение окажется тем меньше, чем больше сужение перехода у поверхности (см. рнс. 3.25, кривая 3). Таким образом, значение пробивного напряжения зависит в данном случае от плотности поверхностных состояний нли от значения поверхностного заряда, создающего обогащенный слой у поверхности базы (рис.
3.28). По своей природе поверхностный пробой может быть лавинным, туннельным или тепловым. Прежде чем рассматривать явления в полупроводниковых диодах при больших прямых токах, установим понятия об уровне инжекции. Под уровнем ннжекции будем понимать соотношение между концентрацией неосновных носителей и концентрацией основных носителей в состоянии равновесия (или, что почти то же самое, концентрацией примесей). Низким уровнем инжекиии будем считать такой, при котором концентрация иижектированных иеосновных носителей значительно меньше концентрации основных носителей в состоянии равновесия, т. е. для полупроводника п-типа Средним уровнем инжекиии будем считать такой, прн котором разница между концентрацией инжектироваиных неосновных носителей и концентрацией основных носителей в состоянии равновесия мала, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
