Полевой пробой

Полевой, или туннельный, пробой относится к электрическому виду пробоя и характерен для сравнительно узких p-n переходов (ширина p-n перехода в равновесном состоянии составляет сотые доли микрометра).

Это обеспечивается в том случае, когда обе области p-n перехода имеют высокую степень легирования примесями. При этом длина свободного пробега l электронов меньше ширины обратно-смещенного p-n перехода:

l < l_ОБР.

При напряженности электрического поля E = U _обр /l _обр в p-n переходе, равной критическому значению E _КР = (2¸4)×10⁵ В/см, происходит полевой, или туннельный, пробой.

При такой большой напряженности электрического поля у атома полупроводника происходит отрыв валентных электронов и число носителей заряда растет. С точки зрения энергетической (зонной) диаграммы основу полевого пробоя составляет туннельный эффект – явление «просачивания» электронов сквозь узкий энергетический барьер p-n перехода, т.е. переход электронов с занятых энергетических уровней валентной зоны полупроводника p-типа на свободные энергетические уровни зоны проводимости полупроводника n-типа. Эти переходы происходят без изменения энергии электрона, а на энергетической диаграмме, изображенной для этого случая на рис. 3, переходы происходят на одном энергетическом уровне, т.е. горизонтально.

Вероятность туннельных переходов при напряженности электрического поля E = 10⁵ В/см составляет один электрон в секунду, а при напряженности электрического поля E = 10⁶ В/см – 10¹² электронов в секунду. Поэтому при критическом значении напряженности электрического поля обратносмещенного p-n перехода количество туннельных переходов будет значительным, а это приводит к резкому увеличению обратного тока.

Рис. 3. Энергетическая диаграмма p-n перехода при полевом пробое

При дальнейшем увеличении обратного напряжения на p-n переходе
U _обр > U _проб рост обратного тока происходит по экспоненциальному закону. Это объясняется увеличением напряженности электрического поля и степени перекрытия валентной зоны полупроводника p-типа и зоны проводимости полупроводника n-типа.

Обратная ветвь ВАХ p-n перехода для случая полевого пробоя представлена на рис. 4. Полевой пробой имеет место в p-n переходах с напряжением пробоя до 5 В.

Зависимость 1 рис. 4 изображена для значения температуры окружающей среды T ₁ = +20 °C. При увеличении температуры окружающей среды до значения T ₂ = +50 °С ВАХ p-n перехода видоизменяется, и на рис. 4 это изменение нашло отражение в зависимости 2. При увеличении температуры обратный ток p-n перехода возрастает в связи с ростом концентрации неосновных носителей заряда по экспоненциальному закону. Такое изменение обратного тока наблюдается при регулировании обратного напряжения в диапазоне от нуля до напряжения пробоя.

Рис. 4. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода при полевом пробое

С увеличением температуры напряжение пробоя уменьшается и становится равным U _проб2 (зависимость 2 рис. 4). Это обусловлено тем, что при увеличении температуры возрастает амплитуда тепловых колебаний атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки, энергия электронов также растет, величина контактной разности потенциалов p-n перехода j _К снижается, ширина p-n перехода l _обр уменьшается, а напряженность электрического поля в p-n переходе Е увеличивается, критическое значение напряженности поля Е _КР достигается при меньшем значении U _обр, растет количество туннельных переходов и, следовательно, резко возрастает обратный ток. Следовательно, температурный коэффициент напряжения при полевом пробое имеет отрицательное значение:

ТКН_ПОЛ = DU _проб / D Т < 0,

где D U _проб = U _проб2 – U _проб1- изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину D Т = Т ₂ – Т ₁ при фиксированном значении обратного тока.

При полевом пробое пробивное напряжение оказывается обратно пропорциональным концентрации примесей в областях, прилегающих к p-n переходу, или прямо пропорционально удельному сопротивлению этих областей.

Для кремниевых p-n переходов пробивное напряжение при полевом пробое определяется эмпирическим соотношением:

U _проб = 200×r_n+73×r_p;

а для германиевых переходов:

U _проб = 190×r_n+94×r_{p ,}

где r_n и r_p – удельные сопротивления n- и p-областей, прилегающих к переходу, Ом×см.

Следовательно, чем сильнее легированы области p-n перехода, тем меньше удельное сопротивление этих областей и тем меньше пробивное напряжение при полевом пробое.

Дата добавления: 2014-01-20