Обеднённый слой в p-n переходе.

???

Пробой p-n перехода.

При некотором значении U_обр экспериментальная вольт-амперная характеристика начинает су­щественно отличаться от теоретической (рис. 23). Обратный ток резко возрас­тает при незначительном увеличении об­ратного напряжения, сопротивление переменному току круто падает. Явле­ние резкого увеличения дифференциаль­ной проводимости p-n-перехода при до­стижении обратным напряжением или током критического для данного прибора значения называют пробоем перехода.

Различают три основных вида пробоя: туннельный, лавинный, тепловой. Пер­вые два вида пробоя называют электри­ческим пробоем. При электрическом про­бое переход может сохранять свои вы­прямительные свойства. Тепловой про­бой вызывает необратимые изменения в p-n-переходе, ведет к его разрушению и выходу полупроводникового прибора из строя.

Туннельный пробой (см. участок ab) кривой 3 (см. рис. 23) обусловлен тун­нельным эффектом — переходом элект­ронов через потенциальный барьер, вы­сота которого превышает энергию элект­рона.

Напряжение, соответствующее нача­лу туннельного пробоя U_z, оценивают из условия, что при нем обратный ток в 10 раз превышает тепловой ток I₀, т. е. I_обр=10 I₀. Напряженность поля перехода E_пр, соответствующая началу пробоя, для германия составляет 2·10⁵ В/см, для кремния 4·10⁵ В/см. Напряже­ние туннельного пробоя U_z = E_пр Δх пропорционально толщине p-n-перехо-да и составляет 2—7 В. Увеличение тем­пературы, так же как рост концентра­ции примесей, вызывает снижение на­пряжения туннельного пробоя (см. кри­вую 3 на рис. 23).

Туннельный пробой обычно проявля­ется в узких сильнолегированных p-n-переходах, толщина которых меньше длины свободного пробега электрона. При более широких переходах имеет место лавинный пробой.

Лавинный пробой — это электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под дей­ствием сильного электрического Поля. Он обусловлен ударной ионизацией ато­мов полупроводника в p-n-переходе, толщина которого превышает длину свобод­ного пробега носителей. Электроны в об­ласти перехода приобретают на пути своего свободного пробега достаточную энергию для выбивания новых электро­нов из ковалентных связей. В результате этого число носителей лавинообразно нарастает. Обратный ток резко увеличи­вается. Напряжение на переходе оста­ется при этом почти постоянным и опре­деляется напряженностью поля, необ­ходимой для ударной ионизации (см. участок ab кривой 2 на рис. 23).

Процесс ионизации характеризуют ко­эффициентом лавинного умножения но­сителей заряда,

M = (N₁+N₂)/N₁, (23)

где N₁— число носителей, вошедших в р-п-переход;

N₂— число носителей, образовавшихся в результате ударной ионизации.

Напряжение, при котором коэффици­ент М стремится к бесконечности, назы­вают напряжением лавинного пробоя U_пл.

Напряжение лавинного пробоя воз­растает при увеличении удельного сопро­тивления полупроводника r. При высо­ких значениях r пробой носит лавинный характер (см. кривую 2 на рис. 23), при низких значениях r<5 •10^-3 Ом • м— туннельный (см. кривую 3 на рис. 23).

С ростом температуры число носите­лей в области перехода возрастает, их подвижности и длины свободного пробе­га снижаются. Для того чтобы электрон на меньшей длине свободного пробега смог приобрести энергию, достаточную для ионизации, необходима большая на­пряженность поля перехода. Соответст­венно напряжение лавинного пробоя возрастает, TKU лавинного пробоя по­ложителен.

Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей заряда в результате на­рушения равновесия между теплом, вы­деляемым в p-n-переходе, и теплом, отводимым от него. При увеличении об­ратного тока выделяемое на переходе тепло может стать больше отводимого. Тогда температура перехода повышает­ся. Это ведет к росту термогенерации, увеличению обратного тока и дальней­шему нагреву p-n-перехода. Такая поло­жительная обратная связь между тем­пературой перехода и его обратным то­ком вызывает лавинообразное нараста­ние температуры. Напряжение на пере­ходе начинает уменьшаться. Концентра­ция носителей резко увеличивается и электрическое сопротивление падает бы­стрее, чем растет ток. На вольт-амперной характеристике появляется участок от­рицательного дифференциального со­противления (см. кривую 1 на рис. 23). В кремниевых переходах тепловой про­бой наступает после лавинного или тун­нельного пробоя, вызывающего резкое увеличение тока (см. кривые 2, 3 на рис. 23).

При температуре, близкой к критичес­кой, p-n-переход теряет свои выпрями­тельные свойства, структура разрушает­ся и полупроводниковый прибор выходит из строя. Тепловой пробой — основная причина невосстанавливаемых отказов полупроводниковых приборов.

Вследствие неоднородности структуры тепловой пробой обычно локализуется в отдельных микроучастках перехода. Если в какой-либо точке p-n-перехода плотность обратного тока несколько вы­ше, чем в остальной его части, то тем­пература там возрастает. Это ведет к дальнейшему росту плотности обрат­ного тока. Образуется так называемый шнур, или канал высокой проводимости диаметром несколько микрометров. Вследствие малого объема шнура тепло­вой пробой может начаться в нем при малых обратных токах и напряжениях. Поэтому не допускается даже кратко­временное превышение обратного напря­жения на p-n-переходе по сравнению с предельно допустимым.

Напряжение теплового пробоя зави­сит от температуры окружающей среды, тока I_обр и условий отвода тепла. Мощ­ность, выделяемая в p-n-переходе при об­ратном включении,

P_в=I_обрU. (24)

Максимальная мощность, рассеивае­мая маломощным прибором,

(25)

Где Т_{п max} — максимальная температура перехода, определяемая вели­чиной Т_нр. значение которой за­висит от исходного материала полупроводника и степени его легирования. Для германия Т_{п max}= 90÷110°С, для крем­ния 120—200° С;

Т_с — температура окружающей сре­ды;

R_{пер—окр} — общее тепловое сопротивление, °С/Вт, которое характеризует разность температур между переходом и окружающей сре­дой при мощности 1 Вт, рассеива­емой на приборе в установив­шемся режиме. Этот параметр характеризует способность полупроводникового прибора от­водить выделяющееся тепло во внешнюю среду. Его называ­ют тепловым сопротивлением по аналогии с электрическим. Значение R_{пер—окр} зависит от конструкции прибора и ус­ловий теплоотвода и составля­ет от 0,01 до 60° С/Вт.

Тепловой пробой может произойти, если Р_в >P_max.Чтобы избежать теп­лового пробоя p-n-перехода, необходи­мо прежде всего улучшать отвод от него тепла.

Рис. 23.Вольт – амперные характеристики при пробоях:

1 – германиевый p-n-p переход; 2 – кремниевый; 3 – кремниевый с высокой концентрацией примеси (r<5·10^-3 Om·m)

Туннельный эффект.

Туннельный эффект заключается в том, что электроны проходят через потенциальный барьер р—п -перехода, не изменяя своей энергии. Для получения туннельного эффекта используется полупроводнико­вый материал (германий, арсенид галлия) с очень большой концентра­цией примесей (до 10²¹ примесных атомов в 1 см³), в то время как обыч­но концентрация примесей в полупроводниках не превышает 10¹⁵ см^-3.

Полупроводники с таким высоким содержанием примесей назы­ваются вырожденными, а их свойства очень близки к свойствам ме­таллов.

Вследствие высокого содержания примесей в обеих областях по­лупроводникового кристалла ширина p-n-перехода оказывается очень малой (не более 0,01 мкм), что приводит к значительному повы­шению напряженности электрического поля па переходе (порядка 10⁸ В/м). В этих условиях имеется конечная вероятность того, что электрон, движущийся в сторону очень узкого барьера, пройдет сквозь него (как через «туннель») и займет свободное состояние с такой же энергией по другую сторону от барьерного слоя. Чтобы подчеркнуть специфичность прохождения электронов через p-n -переход, описан­ное явление было названо туннельным эффектом.

Известно, что увеличение концентрации до норных примесей сме­щает уровень Ферми вверх, а увеличение концентрации акцепторных примесей — вниз относительно середины запрещенной зоны. При концентрации примесей порядка 10²¹ см^-3 уровень Ферми полу-

проводника n-типа располагается внутри зоны проводимости, а уровень Ферми полупроводника p-типа — внутри валентной зоны. Из рис. 24, а видно, что при отсутствии внешнего напряжения уров­ни Ферми W_Fn и W_Fp совпадают, так как величина энергии па уров­не Ферми должна быть одинаковой по всей структуре.

Внутри р—п -перехода границы энергетических зон полупроводников p- и n-типа не кривляются. Вследствие того, что уровни Ферми в вырожденных полупроводниках расположены за пределами запрещенной зоны, при осуществлении контакта образуется зона перекрытия, расположенная между границей валентной зоны W_в полупроводника p-типа и границей зоны проводимости W_п полупроводника n-типа. В этой зоне разрешенные
уровни электронного полупроводника расположены против разрешенных уровней дырочного полупроводника. Для простоты рассуждений будем считать, что все разрешенные уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты электронами, а расположенные выше него — свободны.

В очень узком p-n -переходе при высокой напряженности поля возникают условия для беспрепятственного туннельного прохождения электронов из одного слоя в другой сквозь потенциальный барьер. Однако для этого не­обходимо, чтобы против занятого электроном уровня по одну сторону барьера имелся сво- ^ бодный уровень за барьером. При отсутствии внешнего напряжения (U=0 на рис. 24, а) такой возможности фактически нет, так как занятым уровням в зоне проводимости полу­проводника n-типа противостоят занятые уров­ни в валентной зоне полупроводника p-типа.

Если к p-n переходу приложить неболь­шое прямое напряжение, то высота потенци­ального барьера и перекрытие зон уменьшатся (рис,24,б). Энергетическая диаграмма полупроводника n-типа под­нимется вверх, а полупроводника p-типа опустится вниз. При этом уровни некоторых электронов проводимости n-области расположатся против свободных уровней валентной зоны p-области. Тем самым соз­даются благоприятные условия для туннельного перехода электронов из электронного полупроводника в дырочный. Поэтому через p-n -переход потечет туннельный ток, величина которого будет зависеть от величины приложенного прямого напряжения. Следует отметить, что при прямом напряжении через p-n -переход, кроме туннельного тока, проходит и диффузионный ток I_диф, создаваемый перемещением элект­ронов и дырок проводимости. Следовательно, полный ток p-n -перехода при туннельном эффекте со­ставляет

(23)

Отметим также, что диффузионный ток в случае использования вырож­денных полупроводников оказывается на несколько порядков меньше тока в обычном p-n -переходе. Это объяс­няется весьма малой концентрацией неосновных носителей из-за увеличения концентрации примесей. На рис. 25 показана вольт-амперная харак­теристика p-n -перехода с туннель­ным эффектом. Основная ее особенность состоит в том, что при подаче прямого напряжения, превышающего, некоторое напряжение U₁ пря­мой туннельный ток начинает резко убывать.

Рис. 25. Вольтамперная характеристика р-п перехода с туннельным эффектом.

Наличие падающего участка характеристики (АВ на рис. 25) можно объяснить следующим образом. Увеличение прямого напряже­ния, с одной стороны, приводит к увеличению туннельного тока, а с другой,— уменьшает напряженность электрического поля в p-n -переходе. Поэтому при некотором значении прямого напряжения U₂ (рис. 24, в), когда напряженность электрического поля в p-n -переходе резко снижается, туннельный ток прекращается, а p-n -переход приобретает обычные свойства, связанные с прохождением через него диффузионного тока (на рис. 25)кривая 1, в интервале после U₂, соответствующая полному току p-n -перехода, совпадает с кривой 2 диффузионного тока, показанной пунктиром).

При подаче на p-n -переход обратного напряжения (рис. 24, г) энергетическая диаграмма полупроводника n-типа опускается вниз, а полупроводника р- типа поднимается вверх. Ширина зоны перекры­тия увеличивается, что приводит к росту обратного туннельного тока, поскольку возникают условия для свободного туннельного перехода валентных электронов p-области в зону проводимости n-области. Ве­личина обратного тока зависит от величины обратного напряжения, с увеличением которого энергетические зоны n- и p-областей смеща­ются сильнее.

Односторонняя проводимость p-n -перехода при туннельном эф­фекте полностью отсутствует (рис. 25).

В интервале напряжений от U₁ до U₂ с ростом напряжения ток падает. Следовательно, на этом участке p-n -переход оказывает пере­менному току некоторое отрицательное сопротивление

Уменьшение тока с ростом напряжения эквивалентно сдвигу фазы между указанными величинами на 180°. Поэтому мощность переменно­го сигнала, равная произведению тока на напряжение, будет иметь отрицательный знак. Это показывает, что отрицательное сопротивле­ние не потребляет мощности переменного сигнала, а отдает его во внешнюю цепь.

В электронике понятие «отрицательное сопротивление» известно давно. Так, вольт-амперные характеристики с падающим участком наблюдаются при динатрониом эффекте в многоэлектродных лампах. С помощью отрицательного сопротивления можно скомпенсировать потерн, вносимые в схему положительным сопротивлением, и, таким образом, в зависимости от поставленной задачи осуществить усиление, генерирование млн преобразование электрических сигналов.

На этом явлении основано действие туннельных диодов, пригод­ных для усиления и генерирования СВЧ колебаний и для построения сверхбыстродействующих импульсных устройств.

Рис. 24. Энергетические диаграммы р-п перехода при туннельном эффекте.