Что может привести к тепловому пробою стабилитрона

Особенности теплового пробоя в реальных диодах

Тепловой пробой в реальных диодах всегда происходит с образованием так называемого «шпура» пли канала высокой проводимости, температура в котором превышает среднюю температуру остальной части р-n-перехода. В свою очередь, образование шнура может быть вызвано либо дефектами в реальном р-n-переходе, либо статистической флуктуацией плотности обратного тока по площади р-n-перехода. Действительно, если в каком-нибудь месте р‑n‑перехода в некоторый момент времени плотность обратного тока оказалась несколько выше плотности обратного тока в остальной части р-n-перехода, то температура этого места p-n-перехода будет выше из-за большей выделяющейся там удельной мощности. Увеличение температуры приведет к росту плотности обратного тока в данном месте р-n-перехода в связи с увеличением тепловой генерации носителей либо в самом переходе, либо в областях полупроводника, прилегающих к р-n-переходу.

Локальное увеличение плотности тока вызовет локальное увеличение температуры, увеличение температуры вызовет увеличение плотности тока и т.д.

Диаметр шнура, возникшего при тепловом пробое, может составлять всего несколько микрометров. Длина его определяется толщиной р-n-перехода, т. е. может составлять десятки микрометров. Поэтому, учитывая малый объем шнура, следует заключить, что для развития теплового пробоя в реальных диодах при шнуровании тока требуется очень малая мощность, т. е. тепловой пробой может происходить при малых обратных токах и малых обратных напряжениях.

Рис. 3.23. ВАХ при тепловом пробое диода и гиперболы равной мощности

Удельная мощность, выделяемая в единичном объеме шпура, даже при очень малых обратных токах через диод оказывается довольно большой.

Для возникновения теплового пробоя необходим перегрев шнура примерно на 10º 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.

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 10 –6 — 10 –7 с. При этом еще надо учесть, что при тепловом пробое напряжение на диоде уменьшается и барьерная емкость р-n-перехода диода разряжается через сопротивление шнура с выделением добавочной мощности в шнуре. Это явление способствует ускорению разогрева шнура и уменьшению инерционности процесса теплового пробоя.

шнура (1) и шунтирующего сопротивления остальной части р-n-перехода (2), которые в сумме могут дать у-образную вольт-амперную характеристик; диода (3) при тепловом пробое

Еще одним следствием шнурования тока при тепловом пробое диода является возможность получения своеобразной вольт-амперной характеристики — так называемой у-образной вольт-амперной характеристики, которая на первый взгляд противоречит тепловому механизму пробоя диода.

Действительно, с увеличением тока через диод температура р-n-перехода все время должна возрастать, что видно из уравнения теплового баланса (3.78).

Таким образом, кривые (гиперболы) равной мощности должны пересекать вольт-амперную характеристику диода с учетом тепловыделения в р‑n‑переходе только в одной точке (рис. 3.23). Однако тепловой пробой происходит но шнуру с очень малым поперечным сечением. Если бы удалось из всего р-n-перехода выделить шнур, то его вольт-амперная характеристика соответствовала бы всем условиям теплового пробоя (кривая 1 на рис. 3.24). Через остальную часть р-n-перехода, площадь которой на несколько порядков больше поперечного сечения шнура, идет обратный ток, т. е. ее можно характеризовать некоторым сопротивлением R.

Для простоты будем считать сопротивление R постоянным — с линейной вольт-амперной характеристикой (кривая 2). Если сопротивление R окажется меньше абсолютного значения отрицательного дифференциального сопротивления шнура на падающем участке его вольт-амперной характеристики, то суммарная вольт-амперная характеристика диода (кривая 3) будет иметь у-образный вид. Следовательно, у-образные вольт-амперные характеристики не противоречат тепловому механизму пробоя диода.

Таким образом, 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 пробоя может быть сложной и даже немонотонной, так как при больших температурах тепловой пробой может наступать без предшествующего лавинного пробоя.

Дата добавления: 2015-10-13 ; просмотров: 2324 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

​Идентификация основных причин отказов силовых полупроводниковых приборов таблеточной конструкции в процессе эксплуатации

Введение

Несмотря на простоту схемотехнического проектирования цепей с применением силовых тиристоров и диодов, потребитель на практике сталкивается с множеством деталей, которые необходимо учитывать для надежной и длительной работы силовых полупроводниковых приборов (СПП). В основном все нюансы применения СПП обусловлены конструктивными особенностями приборов. Незнание или пренебрежение особенностями применения СПП, как на стадиях проектирования схем, так и при монтаже с охладителем приводит к нештатному функционированию приборов и — как следствие — к параметрическому отказу. Анализ отказов в основном направлен на идентификацию причин, связанных с ним.

Основные причины отказов СПП, изготовленных с соблюдением современных принципов конструирования и норм технологии, могут быть условно сгруппированы следующим образом:

Ниже описаны наиболее распространенные виды отказов, по приведенным выше группам, обсуждаются возможности идентификации причин отказов по результатам исследования аварийных диодов и тиристоров.

Некорректный монтаж в электрооборудовании

Потеря теплового контакта приводит к локальному перегреву указанных областей полупроводниковой структуры. Однако, даже для прибора работающего в режиме коммутации одиночных импульсов тока, не требующего эффективного теплоотвода, некорректный монтаж такого типа может привести к отказу, вследствие ненадежного электрического контакта. При коммутации импульсов тока большой амплитуды и с большой скоростью нарастания на переднем фронте, в локальных областях СПП, не имеющих электрического контакта между катодной металлизацией полупроводниковой структуры и токопроводящим катодным основанием корпуса (или катодной прокладки), может возникать электрический дуговой разряд (в случае, если зазор между контактными поверхностями составляем несколько микрон). При этом происходит постепенная деградация поверхности полупроводниковой структуры (эрозия), что в конечном итоге приводит к отказу.

Можно условно разделить такие режимы на несколько групп:

Превышение допустимой нормы по среднему току (с учетом режима охлаждения), либо по амплитуде импульсного (ударного) тока

Вышедший из строя полупроводниковый элемент СПП имеет в этом случае характерные «крупные» области проплавления (рис. 8), расположенные в области протекания силового тока. Так как отказ наступает, как правило, вследствие теплового пробоя, либо (в режиме коммутации ударного тока) вследствие шнурования тока большой амплитуды, то области проплавления часто локализуются в наиболее перегретых частях структуры, а также в областях с ухудшенным теплоотводом.

Рис. 8

При образовании теплового шнура в режиме коммутации аварийного тока большой амплитуды происходит увеличение температуры в базе тиристора или диода, как следствие — возрастает собственная концентрация носителей, которая в наиболее нагретой области структуры становится сравнимой с концентрацией инжектированных носителей заряда. Сопротивление этой области уменьшается, ток через нее увеличивается, включается механизм положительной обратной связи, что и приводит к стягиванию тока в локальный тепловой шнур и как следствие к разрушению полупроводникового эле-мента. Эрозия катодной области возникает при плавлении одного из слоев полупроводникового элемента (наименьшую температуру плавления имеет соединение алюминия с кремнием), вследствие чего, нарушается один из полупроводниковых переходов, как правило, отвечающий за прямое блокирующее напряжение, или происходит полное разрушение полупроводникового элемента.

Рис. 9

Малое значение анодного тока тиристора

Тиристор представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из вспомогательного и основного тиристоров (рис. 9). Ток анодной цепи — Ia разветвляется на два тока: анодный ток вспомогательного тиристора (Ia вспм) — он же ток управляющего электрода основного тиристора (Iуэ осн) и анодный ток основного тиристора (Iосн). При малом значении анодного тока, ток в цепи управляющего электрода основного тиристора не может достичь величины, при которой основной тиристор открывается полностью по всему периметру управляющего электрода. Зона проводимости будет сформирована в локальной точке, где будет выделяться значительная локальная мощность, способная привести к его локальному перегреву и разрушению полупроводникового элемента. Если анодный ток вовсе не способен включить основной тиристор даже в локальной точке, то в случае длительной эксплуатации тиристоров в этом режиме возможен перегрев области управляющего электрода основного тиристора и, как следствие, разрушение полупроводникового элемента.

При проектировании схем следует рассматривать анодные токи как от основных силовых цепей, так и от защитных (снабберных) цепей. Данный эффект необходимо более внимательно изучать в случае работы с высоко-частотными тиристорами, имеющими разветвленный управляющий электрод основной структуры, и как следствие — большие токи отпирания основного тиристора.

Проблемы, связанные с управлением, осложняются тем, что конструктивно область управления имеет односторонний теплоотвод. Отвод тепла от области управления осуществляется со стороны анода; с катодной стороны находится прокладка с центральным отверстием, осуществляющая раскорачивание области управления и катодную область. Таким образом, вероятность отказа повышается по мере нагревания прибора.

Нештатные процессы в цепи управления тиристора

При наличии нештатных сигналов в цепи управления, место разрушения на полупроводниковом элементе, как правило, привязано к управляющему электроду вспомогательного тиристора (рис 10).

Рис. 10

В этом случае возможны следующие причины, приведшие к отказу: Слабый сигнал управления или включение тиристора от помехи. Слабый сигнал управления инициирует включение тиристора только в локальной точке вблизи вспомогательного управляющего электрода, а не по всему периметру управляющих электродов, как это происходит в случае со штатным импульсом управления (рис 11). Тиристор начинает проводить анодный ток непосредственно в этой точке, и одновременно происходит спад прямого блокируемого напряжения. Таким образом, в данный момент времени пиковая мощность, выделяемая на тиристоре, имеет максимальное значение и локализована в одной или нескольких точках, что приводит к локальному перегреву и разрушению полупроводникового элемента.

Рис. 11

Сигнал в цепи управления, выходящий за пределы области безопасной работы, например ток управления большой амплитуды, а также напряжение и ток обратной полярности в цепи управления могут приводить к отказу прибора с характерной локальной областью разрушения, аналогичной приведенной на рис 10.

Попадание в цепь управления высокого напряжения и, как следствие, возникновение неограниченного тока по цепи управления приводит к локальному перегреву и разрушению полупроводникового элемента. Характерная для такого типа отказа «крупная» область проплавления в области вспомогательного тиристора показана на рис. 12.

Рис. 12

Одновременное присутствие сигнала управления и обратного анодного напряжения. В этой ситуации за счет транзисторного эффекта резко увеличивается обратный анодный ток (ток утечки), который значительно превышает предельно допустимые значения для тиристора (рис. 13). В результате вблизи управляющего электрода локализуется значительная мощность, которая способна привести к разрушению прибора, причем, чем больше сигнал управления, тем больше ток утечки, а значит — и выделяемая мощность. Следует также учитывать, что с ростом температуры значение тока утечки увеличивается, и повышается вероятность параметрического отказа СПП. Данный режим работы не рекомендуется к применению, но допустим в особых случаях при всестороннем изучении конкретной схемы и выбора режимов работы тиристора, гарантирующего его длительное и надежное функционирование.

Рис. 13

Превышение предельного значения скорости нарастания анодного тока или малое значение скорости нарастания тока управления (эффект di/dt)

В случае штатного импульса управления тиристор включается по всему периметру управляющего электрода вспомогательного тиристора и продольное распространение включенного состояния имеет конечную скорость (рис. 14). Таким образом, при значительных скоростях нарастания анодного тока и ограниченности скорости распространения включенного состояния тиристора, локальная плотность тока вблизи управляющего электрода вспомогательной структуры может превысить своё предельное значение, что вызовет перегрев и разрушение полупроводникового элемента. Аналогичная ситуация возникает при малой скорости нарастания тока управления.

Рис. 14

Характер области разрушения, как правило, сходен с приведенным на рис. 10. Подобный механизм может возникнуть при включении основного тиристора, в этом случае область разрушения находится вблизи управляющего электрода основного тиристора (рис. 15). Как правило отказ, аналогичный изображенному на рис. 15, происходит в частотно-импульсных режимах, т. е. при превышении нормы на повторяющееся значение предельно допустимого di/dt, а отказ, аналогичный изображенному на рис.10 — при превышении нормы однократного предельно допустимого di/dt.

Рис. 15

Нештатное переключение тиристоров по аноду без сигнала управления

В этом случае наиболее характерны следующие причины, ведущие к отказу. Переключение из-за превышения допустимой скорости нарастания прямого напряжения (эффект dv/dt).

Для этого вида отказа возможно расположение локальной области разрушения в пределах катодных областей основного или вспомогательного тиристоров. Наиболее характерно их расположение вблизи управляющего электрода — вспомогательного тиристора (аналогично, изображенному на рис. 10), или основного тиристора (аналогично, изображенному на рис. 15), т. к. эти области, как правило, наиболее чувствительны к переключению, инициированному емкостным током.

Переключение при приложении прямого напряжения в конце процесса рассасывания заряда при выключении, за время меньшее времени выключения (tq).

Такой нештатный режим переключения схематично изображен на рис. 16. Наиболее вероятным местом разрушения является катодная область основного тиристора. Такой характер повреждения типичен в условиях, когда концентрация электронно-дырочной плазмы в базовых слоях прибора недостаточна для инициирования процесса переключения по достаточно большой площади кристалла. Этот процесс происходит локально, как правило, в одной или нескольких точках, имеющих наибольшее время жизни носителей заряда, либо характеризуемых наименьшей эффективностью распределенной катодной шунтировки.

Рис. 16

Отказ при перенапряжениях в прямом или обратном направлениях.

Сильное электрическое поле создает лавинный пробой, также усиливается электрическое поле на поверхности. Отказ в этих случаях, как правило, возникает на периферии полупроводникового элемента тиристора или диода (рис. 17).

Рис. 17

СПП с выработанным ресурсом

Наиболее «чувствительными» характеристиками, изменение которых может служить критерием выработки ресурса, являются:

Поэтому окончательное решение о выработке ресурса можно, как правило, принять, лишь вскрыв прибор (или контрольную группу однотипных приборов) и визуально исследовав состояние контактных поверхностей.

Необходимость учета конструктивно-технологических особенностей конкретных типов СПП

Фирмы — изготовители, как правило стараются как можно более полно описать область безопасного функционирования для выпускаемых приборов, учитывая их конструктивно-технологические особенности. Однако, учесть все нюансы, возникающие в различных режимах эксплуатации приборов, зачастую все же не удается. При этом могут возникать ситуации, когда определенная последовательность безопасных по отдельности режимов может создать предпосылки для отказа прибора.

Поясним сказанное на конкретном примере, описывающем реально существовавший случай отказа. Высоковольтный тиристор эксплуатировался в преобразователе в режиме, характеризующемся длительной работой при малом анодном токе (на углах зажигания около 180°), затем угол зажигания скачком уменьшался и анодный ток резко возрастал, однако его среднее и амплитудное значение не превышало допустимых пределов. Режим работы на малом токе также не выходил за границы области безопасной работы: несмотря на то, что включался только вспомогательный тиристор, его перегрев не приводил к превышению максимально допустимой температуры. Поясним сказанное на конкретном примере, описывающем реально существовавший случай отказа. Высоковольтный тиристор эксплуатировался в преобразователе в режиме, характеризующемся длительной работой при малом анодном токе (на углах зажигания около 180°), затем угол зажигания скачком уменьшался и анодный ток резко возрастал, однако его среднее и амплитудное значение не превышало допустимых пределов. Режим работы на малом токе также не выходил за границы области безопасной работы: несмотря на то, что включался только вспомогательный тиристор, его перегрев не приводил к превышению максимально допустимой температуры.

Тем не менее последовательность этих двух безопасных режимов приводила к отказам, которые имели систематический и массовый характер. Область разрушения находилась в области катода вспомогательного тиристора и имела характер, близкий к показанному на рис. 12.

Причина отказов заключалась в следующем. При работе в режиме малых токов происходил локальный разогрев области вспомогательного тиристора, тогда как область основного тиристора оставалась холодной. После резкого перехода в режим относительно больших анодных токов, вследствие разницы температуры основной и вспомогательной тиристорных структур, возникала ситуация, когда вспомогательный тиристор не отключался после включения основного, причем уровень тока вспомогательного тиристора превышал безопасный предел (рис. 18). Этот ток перегрузки и приводил в конечном итоге к недопустимому перегреву вспомогательной структуры и, следующему за ним тепловому пробою.

Таким образом отказ тиристоров происходил из-за неучета конкретных особенностей прибора данного типа: уровня минимального анодного тока, необходимого для включения основного тиристора и температурных характеристик ВАХ во включенном состоянии структур основного и вспомогательного тиристоров. При этом пользователь не владел информацией об указанных характеристиках, так как она не входит в стандартных набор характеристик, представляемых в информационных материалах. А изготовитель, владевший информацией об этих особенностях не владел полной информацией об особенностях применения его тиристоров в конкретной аппаратуре пользователя.

Из сказанного ясно, что поиск причин отказов, возникших из-за неучтенных особенностей характеристик применяемых приборов, определяющихся особенностями их конструкции и технологии изготовления, является весьма сложной задачей, решение которой, как правило невозможно без тесного взаимодействия изготовителя и потребителя.

Рис. 18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, чтобы не допустить отказ прибора, необходимо строго следовать рекомендациям по его применению, описанных в технических условиях, паспортах, информационных материалах на соответствующий прибор.

Идентификация причин ряда отказов СПП является весьма сложной задачей, которая может быть успешно решена только при плотной совместной работе потребителя и завода изготовителя СПП.

Источник: Компания «Протон-Электротекс»

Источник

Полупроводниковые диоды, p-n-переход, виды пробоев, барьерная емкость, диффузионная емкость

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющий 2 вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.2, а, б.

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа.

Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n ) сильно различаются. Слой полупроводника, имеющий большую концентрацию, называют эмиттером, а имеющий меньшую концентрацию — базой.

Далее рассмотрим основные элементы диода (p-n-переход и невыпрямляющий контакт металл-полупроводник), физические явления, лежащие в основе работы диода, а также важные понятия, использующиеся для описания диода.

Глубокое понимание физических явлений и владение указанными понятиями необходимо не только для того, чтобы правильно выбирать конкретные типы диодов и определять режимы работы соответствующих схем, выполняя традиционные расчеты по той или иной методике.

В связи с быстрым внедрением в практику инженерной работы современных систем схемотехнического моделирования эти явления и понятия приходится постоянно иметь в виду при выполнении математического моделирования.

Системы моделирования быстро совершенствуются, и математические модели элементов электронных схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» физические явления. Это делает весьма желательным постоянное углубление знаний в описываемой области и необходимым понимание основных физических явлений, а также использование соответствующих основных понятий.

Приведенное ниже описание основных явлений и понятий, кроме прочего, должно подготовить читателя к систематическому изучению вопросов математического моделирования электронных схем.

Рассматриваемые ниже явления и понятия необходимо знать при изучении не только диода, но и других приборов.

Структура p-n-перехода.

Вначале рассмотрим изолированные друг от друга слои полупроводника (рис. 1.3).

Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.4).

В отечественной литературе по электронике уровни зонных диаграмм и разности этих уровней часто характеризуют потенциалами и разностями потенциалов, измеряя их в вольтах, например, указывают, что ширина запрещенной зоны ф₅ для кремния равна 1,11 В.

В то же время зарубежные системы схемотехнического моделирования реализуют тот подход, что указанные уровни и разности уровней характеризуются той или иной энергией и измеряются в электрон-вольтах (эВ), например, в ответ на запрос такой системы о ширине запрещенной зоны в случае кремниевого диода вводится величина 1,11 эВ.

В данной работе используется подход, принятый в отечественной литературе.

Теперь рассмотрим контактирующие слои полупроводника (рис. 1.5).

В контактирующих слоях полупроводника имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n (существует градиент концентрации дырок). Аналогичная причина обеспечивает диффузию электронов из слоя n в слой p.

Диффузия дырок из слоя p в слой n, во-первых, уменьшает их концентрацию в приграничной области слоя p и, во-вторых, уменьшает концентрацию свободных электронов в приграничной области слоя n вследствие рекомбинации. Подобные результаты имеет и диффузия электронов из слоя n в слой p. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление.

В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному, обусловленному градиентом концентрации. В несимметричном p-n-переходе более протяженным является заряд в слое с меньшей концентрацией примеси, т. е. в базе.

Изобразим зонную диаграмму для контактирующих слоев (рис. 1.6), учитывая, что уровень Ферми для них является единым.

Рассмотрение структуры p-n-перехода и изучение зонной диаграммы (рис. 1.6) показывают, что в области перехода возникает потенциальный барьер. Для кремния высота Аф потенциального барьера примерно равна 0,75 В.

Примем условие, что потенциал некоторой удаленной от перехода точки в слое p равен нулю. Построим график зависимости потенциала Ф от координаты x соответствующей точки (рис. 1.7). Как видно из рисунка, значение координаты x = 0 соответствует границе слоев полупроводника.

Важно отметить, что представленные выше зонные диаграммы и график для потенциала Ф (рис. 1.7) строго соответствуют подходу, используемому в литературе по физике полупроводников, согласно которому потенциал определяется для электрона, имеющего отрицательный заряд.

В электротехнике и электронике потенциал определяют как работу, совершаемую силами поля по переносу единичного положительного заряда.

Построим график зависимости потенциала Фэ, определяемого на основе электротехнического подхода, от координаты x (рис. 1.8).

Ниже индекс «э» в обозначении потенциала будем опускать и использовать только электротехнический подход (за исключением зонных диаграмм).

Прямое и обратное включение p-n-перехода. Идеализированное математическое описание характеристики перехода.

Обозначим через u напряжение на p-n-переходе, а через i — ток перехода (рис. 1.13).

Т — абсолютная температура, К;

φт— температурный потенциал, при температуре 20°С (эта температура называется комнатной в отечественной литературе) φт = 0,025 В, при температуре 27°С (эта температура называется комнатной в зарубежной литературе) φт = 0,026 В.

Полезно отметить, что, как следует из приведенного выше выражения, чем меньше ток i_s, тем больше напряжение u при заданном положительном (прямом) токе. Учитывая, что ток насыщения кремниевых ( Si ) переходов обычно меньше тока насыщения германиевых ( Ge) переходов, изобразим соответствующие вольтамперные характеристики (рис. 1.15).

Пробой p-n-перехода.

После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока.

В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным).

Изобразим соответствующий участок вольтамперной характеристики p-n-перехода (рис. 1.16).

В основе пробоя p-n-перехода лежат три физических явления:·-туннельного пробоя p-n-перехода (эффект, явление Зенера);

— лавинного пробоя p — n-перехода;·

Термин «пробой» используется для описания всей совокупности физических явлений и каждого отдельного явления.

И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Туннельный пробой.

Его называют также зенеровским пробоем по фамилии (Zener) ученого, впервые описавшего соответствующее явление в однородном материале. Ранее явлением Зенера ошибочно объясняли и те процессы при пробое перехода, в основе которых лежал лавинный пробой.

В иностранной литературе до сих пор называют диодами Зенера стабилитроны (диоды, работающие в режиме пробоя) независимо от того, используется туннельный или лавинный пробой.

Напряжение, при котором начинается пробой, называют напряжением Зенера. Для объяснения механизма туннельного пробоя схематически изобразим соответствующую зонную диаграмму p-n-перехода (рис. 1.17).

Если геометрическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости (ширина, толщина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект — явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в p — n-переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.

Лавинный пробой.

Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах, схематично явление лавинного пробоя изобразим на рис. 1.18.

Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление).

Тепловой пробой.

После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел нагреться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (соответствующий полупроводниковый прибор выходит из строя).

Явление изменения нескомпенсированных объемных зарядов в области p-n-перехода.

Барьерная емкость.

Как уже отмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок через p-n-переход в области перехода возникают нескомпенсированные объемные (пространственные) заряды ионизированных атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока.

Однако объемные заряды создают электрическое поле, которое в свою очередь самым существенным образом влияет на движение свободных носителей электричества, т. е. на процесс протекания тока.

При увеличении обратного напряжения область пространственных зарядов (главным образом за счет базы) и величина заряда в каждом слое (p и n) полупроводника увеличиваются. Это увеличение происходит непропорционально: при большом по модулю обратном напряжении заряд увеличивается при увеличении модуля напряжения медленнее, чем при малом по модулю обратном напряжении.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.19), где используем обозначения:

Q — пространственный заряд в слое n полупроводника;

В практике математического моделирования (и при ручных расчетах) удобно и поэтому принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. На практике широко используют так называемую барьерную емкость С_6арp-n-перехода, причем по определению С_6ар = | dQ / du | Изобразим графики для Q (рис. 1.20) и C бар (рис. 1.21).

Явление возникновения и изменения объемного заряда неравновесных носителей электричества. Диффузионная емкость.

Если напряжение внешнего источника напряжения смещает p-n-переход в прямом направлении (u> 0), то начинается инжекция (эмиссия) — поступление неосновных носителей электричества в рассматриваемый слой полупроводника. В случае несимметричного p-n-перехода (что обычно бывает на практике) основную роль играет инжекция из эмиттера в базу.

В соответствии с этим поступивший в базу заряд дырок будет практически мгновенно нейтрализован таким же по модулю зарядом электронов.

Q — объемный заряд неравновесных носителей в базе;

f — функция, описывающая зависимость Q от u.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.22).

В соответствии с изложенным Q = f( u ) На практике удобно и принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. При этом используют понятие диффузионной емкости C диф p-n-перехода, причем по определению C диф = dQ / du Емкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе.

Сам заряд Q прямо пропорционален току i (рис. 1.23, а). В свою очередь ток i экспоненциально зависит от напряжения u (соответствующее выражение приведено выше), поэтому производная di / du также прямо пропорциональна току (для экспоненциальной функции ее производная тем больше, чем больше значение функции). Отсюда следует, что емкость С_диф прямо пропорциональна току i (рис.1.23,6):

Cдиф=i·τ/φт где φт — температурный потенциал (определен выше);

τ — среднее время пролета (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).

Среднее время пролета — это время, за которое инжектируемые носители электричества проходят базу, а время жизни — время от инжекции носителя электричества в базу до рекомбинации.

Общая емкость p-n-перехода.

Эта емкость С_пер равна сумме рассмотренных емкостей, т. е. С_пер = С_бар + С_диф.

При обратном смещении перехода ( u

Как следует из диаграммы, энергетические уровни в полупроводнике, соответствующие зоне проводимости, заполнены меньше, чем в металле. Поэтому после соединения металла и полупроводника часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Это приведет к увеличению концентрации электронов в полупроводнике типа n.

Таким образом, проводимость полупроводника в области контакта окажется повышенной и слой, обедненный свободными носителями, будет отсутствовать. Указанное явление оказывается причиной того, что контакт будет невыпрямляющим. Для получения невыпрямляющего контакта металл-полупроводник p-типа необходимо выполнение условия φмп> 0

Источник