В результате чего возникает лавинный пробой
1.2.3. Пробой p-n-перехода
Пробоем называют резкое изменение режима работы p-n-перехода, находящегося под большим обратным напряжением. ВАХ для больших значений обратных напряжений показана на рис. 1.5
Началу пробоя соответствует точка А. После этой точки дифференциальное сопротивление перехода стремится к нулю.
Различают три вида пробоя p-n-перехода:
Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.
Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом.
Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода.
Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода.
Напряжения и токи в p-n-переходах зависят от параметров перехода и его температуры.
Лавинный пробой
Лавинный пробой — электрический пробой в диэлектриках и полупроводниках, связанный с тем, что в сильном электрическом поле носители заряда могут приобретать энергию, достаточную для ударной ионизации атомов или молекул материала. В результате каждого такого столкновения возникает пара противоположно заряженных частиц, одна или обе из которых также начинают участвовать в ударной ионизации. По этой причине нарастание числа участвующих в ударной ионизации носителей происходит лавинообразно, отсюда и название пробоя.
В дополнение можно сказать, что сейчас активно развивается фрактальный подход к описанию сложных процессов, связанных с разрядами.
Применение
Источники
Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — Наука, 1992. — 536 с.
Полезное
Смотреть что такое «Лавинный пробой» в других словарях:
лавинный пробой — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN avalanche breakdown … Справочник технического переводчика
лавинный пробой — griūtinis pramušimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. avalanche breakdown vok. Lawinendurchschlag, m rus. лавинный пробой, m pranc. claquage par avalanche, m … Automatikos terminų žodynas
лавинный пробой — griūtinis pramušimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. avalanche breakdown vok. Lawinendurchbruch, m; Lawinendurchschlag, m rus. лавинный пробой, m pranc. claquage par avalanche, m … Radioelektronikos terminų žodynas
лавинный пробой — griūtinis pramušimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Krūvininkų skaičiaus didėjimas dėl smūginės jonizacijos. atitikmenys: angl. avalanche breakdown rus. лавинный пробой … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
лавинный пробой — griūtinis pramušimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. avalanche breakdown vok. Lawinendurchbruch, m; Lawinendurchschlag, m rus. лавинный пробой, m pranc. éclatement à avalanche, m … Fizikos terminų žodynas
ЛАВИННЫЙ ПРОБОЙ — резкое уменьшение омич. сопротивления ПП в сильном (напряжённостью 10 100 МВ/м) электрич. поле. Ускоренные таким полем свободные носители заряда при столкновении с атомами ПП вызывают их ионизацию (ударная ионизация), что приводит к… … Большой энциклопедический политехнический словарь
лавинный пробой p-n перехода — Электрический пробой p n перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. [ГОСТ 15133 77] Тематики полупроводниковые приборы EN (P N junction) avalanche breakdown DE Lawinendurchbruch des pn… … Справочник технического переводчика
лавинный пробой Таунсенда — Taunsendo griūtinis pramušimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Townsend avalanche breakdown vok. Townsendscher Lawinendurchschlag, m rus. лавинный пробой Таунсенда, m pranc. claquage par avalanche de Townsend, m … Fizikos terminų žodynas
Пробой на убегающих электронах — Пробой на убегающих электронах электрический пробой, в теории дающий начало молнии. Это явление было впервые рассмотрено в 1992 году российским физиком Александром Гуревичем. Содержание 1 Механизм пробоя 2 Экспериментальная проверка … Википедия
Пробой изоляции — Электрический пробой лавинный пробой, связанный с тем, что носитель заряда на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации молекул кристаллической решётки или газа и увеличивает концентрацию носителей заряда. При этом… … Википедия
Лавинный пробой
Лавинный пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля (но меньшем чем при туннельном пробое) при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.
Неосновные носители, попадающие в поле области объемного заряда, приобретают энергию, достаточную для разрыва валентной связи. При столкновении с решеткой кристалла они выбивают из связи валентные электроны. В результате этого также возникает парный заряд, увеличивающий ток через переход. Сопротивление перехода начинает падать, ток резко возрастает.
Рис. 3.18. Лавинный пробой:
а — схема размножения дырок;
б — обратная ветвь ВАХ диода в режиме лавинного пробоя
Этот процесс можно представить себе так же, как ударную ионизацию газа. Электрон и дырка (аналог положительного иона в газе), ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из валентных связей атома полупроводника, расположенного в области перехода. В результате рождается новая пара электрон-дырка и процесс может повторяться под действием этих новых носителей (рис. 3,18 а). Тогда суммарный обратный ток через переход окажется больше, чем в отсутствие такой ионизации. При достаточно большой напряженности поля, когда одна исходная пара носителей в среднем порождает несколько более одной новой пары, ионизация может приобрести лавинный характер подобно самостоятельному разряду в газе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением.
Для того чтобы носители заряда успели приобрести за время движения в переходе достаточную энергию, время их дрейфа должно быть относительно велико. Поэтому ударная ионизация наблюдается только в достаточно широких переходах, т.е. в переходах на относительно высокоомном материале.
Для количественной оценки увеличения тока из-за процесса ударной ионизации в р-n-переходе вводят коэффициенты лавинного умножения Мn и Мр, показывающие, во сколько раз увеличивается ток данных носителей в результате ударной ионизации. В связи с предположением о равенстве коэффициентов ионизации автоматически получается равенство и коэффициентов лавинного умножения: Мn = Мр= М.
Ход характеристики в области ионизации вплоть до пробоя описывается с помощью полуэмпирической формулы
(3.30)
Uм-напряжение лавинного пробоя, при котором М = ∞.
Параметром р-n-перехода, характеризующим явление пробоя, является пробивное напряжение — это напряжение, при котором происходят неограниченное возрастание тока (рис. 4).
Рис. 3.19. Вольт-амперная характеристика диода при лавинном пробое
Напряжение Uм при лавинном пробое зависит от удельного сопротивления областей, зависимость эта полуэмпирическая и имеет вид:
(3.31)
где ρσ имеет размерность ом·см, а а и m — эмпирические коэффициенты, причем значения этих коэффициентов различны для германиевых и кремниевых переходов.
Для германиевых сплавных переходов:
Из приведенных выражений следует, что пробивное напряжение увеличивается с ростом удельной проводимости, то есть при меньших концентрациях легирующих примесей напряжение лавинного пробоя имеет большую величину.
Напряженность поля пробоя, полученная экспериментально для очень тонких (единицы микрон) переходов (ρ ≈ 0,15 — 0,20), составляет около (2,5 – 3,0)·10 5 В/см. С увеличением толщины перехода напряженность поля пробоя падает до (0,8 – 1,2) 10 5 В/см, составляя в среднем в широкой области удельных сопротивлений около 10 В/см.
Как при туннельном, так и при лавинном пробое неограниченное возрастание тока приводит к тепловому пробою перехода, разрушению перехода и полному выходу из строя диода или триода.
С этой точки зрения целесообразно во всех случаях работы перехода в пиковых режимах ставить последовательно с переходом токоограничивающее сопротивление. Величина этого сопротивления должна выбираться такой, чтобы при пиковых значениях напряжения ток в цепи не превосходил допустимого значения.
Дата добавления: 2015-10-13 ; просмотров: 5108 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
2.7. Пробой электронно-дырочного перехода
Пробой может привести к выходу p-n-перехода из строя, если возникнет чрезмерный разогрев перехода, в результате которого произойдут необратимые изменения его структуры. Если же мощность, рассеиваемая в переходе, поддерживается на допустимом уровне, переход в области пробоя сохраняет работоспособность.
Различают три вида (механизма) пробоя: туннельный (зенеровский), лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля, а последний – с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.
Туннельный пробой
В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект – переход электронов сквозь потенциальный барьер без изменения энергии.
Рис. 2.7. Энергетическая диаграмма p-n-перехода при туннельном пробое
Вероятность туннельного эффекта определяется коэффициентом прозрачности потенциального барьера:
В результате для оценки вероятности туннельного пробоя можно использовать выражение:
Из выражения (2.77) следует сильная зависимость туннельного пробоя от напряженности электрического поля. При напряженности 10 4 В/см и менее вероятность туннельного пробоя пренебрежимо мала, а при напряженности более 10 5 В/см становится весьма существенной. Например, при Δ E g = 1 эВ и изменении значения напряженности от 10 5 В/см до 1,1 ⋅ 10 5 В/см вероятность туннелирования увеличивается приблизительно в e 100 раз.
Величину обратного напряжения на p—n-переходе, при котором возникает туннельный пробой, можно определить, используя полуэмпирические зависимости, которые имеют вид:
Из (2.78), (2.79) видно, что напряжение туннельного пробоя зависит от типа проводимости базы: для базы n-типа оно больше, чем для базы p-типа.
При увеличении температуры ширина запрещенной зоны, то есть высота потенциального барьера, уменьшается, следовательно, напряжение туннельного пробоя снижается. Таким образом, температурный коэффициент напряжения туннельного пробоя отрицателен.
Лавинный пробой
Механизм лавинного пробоя заключается в лавинном размножении носителей заряда путем ударной ионизации атомов полупроводника под действием сильного электрического поля.
Если электрическое поле, вызванное обратным напряжением, достаточно велико, то электроны и дырки, движущиеся через р-n-переход, приобретают на длине свободного пробега энергию, достаточную для того, чтобы выбивать электроны из атомов кристаллической решетки. При этом происходят разрыв ковалентных связей и образуются новые электронно-дырочные пары, которые в свою очередь ускоряются электрическим полем и могут участвовать в ударной ионизации атомов.
Количественной характеристикой процесса лавинного размножения носителей заряда является коэффициент лавинного размножения М, который представляет собой отношение тока, образованного носителями заряда, выходящими из обедненного слоя перехода, к току, обусловленному носителями заряда того же знака, входящими в обеденный слой:
Для оценки коэффициента лавинного размножения используется полуэмпирическая формула:
С учетом лавинного размножения носителей заряда ВАХ p—n-перехода в области лавинного пробоя определяется выражением:
Напряжение лавинного пробоя зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника: чем больше ширина запрещенной зоны, тем большую энергию должен приобрести носитель заряда на длине свободного пробега в электрическом поле p—n-перехода, чтобы вызвать ударную ионизацию, поэтому большей ширине запрещенной зоны соответствует большее напряжение лавинного пробоя.
Повышение температуры приводит к уменьшению длины свободного пробега носителей заряда, поэтому для приобретения носителями энергии, достаточной для ударной ионизации атомов, требуется большая напряженность электрического поля. Следовательно, при повышении температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается, то есть температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен.
Напряжение лавинного пробоя зависит от степени легирования (удельного сопротивления) базы p—n-перехода. Эта зависимость выражается полуэмпирической формулой:
где параметры a и m приведены в табл.
На практике механизм пробоя определяют по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя.
Тепловой пробой
Тепловой пробой обусловлен разогревом p—n-перехода вследствие выделения теплоты при протекании обратного тока, когда отсутствует достаточный теплоотвод, обеспечивающий устойчивость теплового режима.
Для оценки условий возникновения лавинообразного процесса подставим в соотношение (2.63) выражение для приращения температуры, обусловленного рассеянием мощности в p—n-переходе. В результате получим трансцендентное уравнение относительно тока I 0 :
В зависимости от значения обратного напряжения уравнение может иметь либо два простых корня, либо один кратный корень, а при достаточно больших обратных напряжениях вообще не имеет корней.
Характерной особенностью обратной ветви ВАХ p—n-перехода в режиме теплового пробоя, соответствующей уравнению (2.83), является наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода в режиме теплового пробоя
Напряжению теплового пробоя соответствует точка А обратной ветви ВАХ, в которой равны производные обеих частей уравнения (2.83) по току I 0 :
откуда следует, что
I 0 = I 0 ( T 0 ) e α R T U T I 0 = I 0 ( T 0 ) e
Из выражения (2.84) видно, что напряжение теплового пробоя существенно зависит от условий теплоотвода (величины теплового сопротивления R T ).
Напряжение теплового пробоя тем ниже, чем больше величина теплового обратного тока. Так как тепловой обратный ток повышается с ростом температуры, то при увеличении температуры напряжение теплового пробоя снижается.
В p—n-переходах с большими обратными токами, в частности германиевых, даже при комнатных температурах тепловой пробой может наступить раньше, чем лавинный или туннельный. В кремниевых p—n-переходах обратные токи значительно меньше и напряжение теплового пробоя получается настолько большим, что раньше наступает лавинный пробой. Однако при высоких температурах окружающей среды тепловой пробой наблюдается и в кремниевых p—n-переходах; пробой может начаться как лавинный, а затем при увеличении обратного тока перейти в тепловой.
Лавинный пробой p-n-перехода
Лавинный пробой – электрический пробой p-n-перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носителями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется электрическим полем в области p-n-перехода. При достижении определенной напряженности электрического поля они приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар «электрон – дырка» также ускоряется электрическим полем, и они, в свою очередь, участвуют в дальнейшей ионизации атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.
Рис. 2.5. Виды пробоя p-n-перехода: 1 – лавинный; 2 – туннельный; 3 – тепловой
Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину p-n-перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.
Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на p-n-переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви 1 вольт-амперной характеристики (см. рис. 2.5).