§ 24. Пробой p-n-перехода

Если напряжение обратного смещения непрерывно повышать, то в отсутствие ограничительного сопротивления в цепи перехода после достижения некоторого значения U_проб (рис. 69) наблюдается резкое увеличение силы тока, происходит так называемый пробой p-n-перехода. Различают электрический и тепловой пробои. Электрический пробой не приводит к разрушению перехода, и если за ним не последует теплового пробоя, свойства p-n-перехода после снятия обратного напряжения восстанавливаются. Существуют два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Рис. 69

Лавинный пробой. В основе этого вида пробоя лежит эффект лавинного размножения носителей в толще р-n-перехода. При некотором значении обратного напряжения смещения напряженность поля в p-n-переходе становится настолько большой, что неосновные носители, ускоряясь в нем, приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов полупроводника в переходе. В результате ионизации происходит лавинное нарастание числа носителей, создающих обратный ток. Лавинный пробой обычно наблюдается при обратных напряжениях смещения порядка десятков или сотен вольт. Он характерен для достаточно толстых р-n-переходов, в которых каждый из неосновных носителей, разгоняемый электрическим полем, вызывает акты ионизации атомов в обедненном слое много раз. В узких переходах обычно наблюдается туннельный пробой.

Туннельный пробой своим происхождением обязан так называемому туннельному эффекту. Возникает этот эффект благодаря непосредственному воздействию сильного электрического поля на атомы кристаллической решетки полупроводника в р-n-переходе. Под действием этого поля происходит разрыв валентной связи и электрон становится свободным носителем, переходя в межузельное пространство и оставляя на своем месте дырку. Зонная схема туннельного пробоя приведена на рисунке 70. Электроны из валентной зоны p-полупроводника переходят, не изменяя свою энергию, в зону проводимости полупроводника n-типа, пересекая запрещенную зону р-n-перехода. Необходимым условием реализации туннельного перехода является незанятость в зоне проводимости n-полупроводника энергетического уровня, соответствующего энергии переходящего из р-области электрона.

Рис. 70

Туннельный пробой наблюдается в тонких р-n-переходах, которые могут быть созданы только на границе раздела высоколегированных областей. Для того чтобы вызвать туннельный пробой, необходимо создать поле с напряженностью порядка 10⁵-10⁶ В/см. Поскольку туннельный пробой реализуется только в тонких переходах порядка 10^-5-10^-6 см, то для получения пробивных значений напряженности поля оказывается достаточной обратная разность потенциалов всего в несколько вольт.

Нарастание тока при туннельном пробое (кривая 2 на рисунке 69) происходит даже более круто, чем при лавинном пробое (кривая 1). Так как свойства p-n-перехода после электрического пробоя (лавинного или туннельного) восстанавливаются при выключении обратного напряжения смещения, то в технике во многих случаях p-n-переход используется именно в режиме пробоя (полупроводниковые стабилитроны, туннельные обращенные диоды и пр.).

Тепловой пробой. Если количество тепла, выделяющегося в р-n-переходе, превышает количество тепла, отводимого от него, то разогрев перехода приводит к росту процесса генерации носителей и, следовательно, к увеличению силы тока, текущего через переход, что в свою очередь ведет к дальнейшему повышению температуры и т. д. В итоге такого лавинообразно развивающегося перегрева сила тока продолжает возрастать и при уменьшении напряжения (кривая 3 на рисунке 69); наступает разрушение материала полупроводника. Тепловой пробой может возникнуть самостоятельно, но может оказаться и следствием развивающегося электрического пробоя. Поэтому обычно в цепь р-n-перехода последовательно включают ограничительный резистор, сопротивление которого подбирается так, чтобы сила тока не превосходила допустимого значения.

Поверхностный пробой. Лавинный или туннельный электрический пробой p-n-перехода может происходить не только в объеме полупроводника, но и по его поверхности. На поверхностный пробой значительное влияние может оказать искажение электрического поля в p-n-переходе поверхностными зарядами. Наличие поверхностного заряда связано с обрывом кристаллической решетки и с наличием в ней дефектов и примесей (особенно адсорбированных молекул воды). В определенных случаях поверхностный заряд приводит к сужению запорного слоя у поверхности и увеличению в приповерхностной области напряженности поля, благодаря этому пробой у поверхности начинается при меньших значениях обратного напряжения смещения, чем в объеме. Для уменьшения вероятности поверхностного пробоя применяют различные защитные покрытия, предотвращающие проникновение на поверхность p-n-перехода влаги и различных активных примесей.