3.      Пробой р-n перехода.

При обратном смещении p-n-перехода, поскольку внутренний потенциал и внешнее напряжение на переходе суммируется (2.25), величина напряженности электрического поля в области перехода может достигать существенных значений. В некоторых случаях сильное электрическое поле может резко увеличить проводимость полупроводника по причине внутренней генерации дополнительных свободных носителей заряда. Когда такое явление происходит в обратносмещенном переходе, его обратный ток резко возрастает. В связи с этим данное явление носит название пробоя. Известны два механизма пробоя р-п-перехода: туннельный и лавинный.

При туннельном (зенеровском) пробое  напряженность поля может стать настолько большой, что развиваемая полем сила оказывается достаточной для высвобождения электрона из ковалентной межатомной связи. С точки зрения зонной теории при таком механизме пробоя электрон совершает переход из валентной зоны в зону проводимости без получения дополнительной энергии, необходимой для преодоления запрещенной зоны. Такой эффект возможен при больших примесных концентрациях в слоях, образующих р-п-переход.

Иллюстрация туннельного пробоя с помощью диаграммы энергетических зон приведена на рис. 2.8. При обратном смещении большое количество электронов валентной зоны со стороны слоя р-типа в области перехода отделено вдоль оси х узкой обедненной областью от незаполненных разрешенных состояний с такой же энергией, находящихся в зоне проводимости материала п-типа. С ростом примесной концентрации в полупроводнике ширина обедненной области  уменьшается и наклон энергетических зон в ней становится все более крутым, а расстояние d между границами зон вдоль оси х все меньше.

Рис. 2.8. Диаграмма энергетических зон обратносмещенного р-n-перехода при туннельном пробое

 

В следствие волновой природы электрона существует некоторая конечная вероятность того, что электрон из валентной зоны полупроводника р-типа, приблизившись к запрещенной зоне, сможет туннелировать через нее и с той же самой энергией появиться в зоне проводимости полупроводника n-типа. Поскольку вероятность прохождения электрона сквозь энергетический барьер очень сильно зависит от толщины поперечного размера вдоль оси х этого барьера, туннелирование играет заметную роль только в сильнолегированном материале, в котором электрические поля велики, а обедненная область тонка. Для существенного туннельного тока, т.е. режима туннельного пробоя, расстояние между границами зон d должно быть менее 10 нм, а напряженность электрического поля в обедненной области должна превышать . Такими параметрами обладают переходы, образованные слоями с примесной концентрацией, превышающей  .

У большинства твердотельных приборов один из слоев р-п-перехода легирован слабо, поэтому вероятность туннельного пробоя в них невелика. Основным видом пробоя таких переходов является так называемый лавинный пробой.

Причина лавинного пробоя - столкновения между носителями заряда и валентными электронами в обедненном слое при обратном смещении. По мере увеличения напряжения обратного смещения все большее количество носителей заряда (электронов или дырок) получают кинетическую энергию, достаточную для создания электронно-дырочной пары при столкновении с валентным электроном. Эти вновь образовавшиеся электроны и дырки в свою очередь ускоряются в электрическом поле и набирают  кинетическую энергию достаточную для создания новой электронно-дырочной пары при столкновении с валентным электроном и т. д. Если количество вновь созданных носителей превысит количество актов рекомбинаций, то концентрация носителей заряда лавинообразно возрастет. Этот процесс лавинного размножения более вероятен в слаболегированном участке обедненного слоя. Например, в одностороннем переходе этот участок существенно шире сильнолегированного участка. Поэтому длина пути, на котором могут происходить  ускорение носителей и их столкновение с валентными электронами, на этом участке больше.

На участке лавинного пробоя небольшое изменение напряжения обратного смещения вызывает резкое возрастание обратного тока (см. рис. 2.9).

Существует хорошо согласующаяся с данными эксперимента математическая формула, связывающая напряжение пробоя и концентрации примесей в р-п-переходе.

Напряжение пробоя  одностороннего ступенчатого перехода может быть вычислено по следующей формуле

,

(2.50)

где N - концентрация примеси в слаболегированном слое.

Эта формула справедлива для концентраций примеси, меньших .

Для плавных переходов с линейным распределением примеси напряжение пробоя вычисляется по формуле

,

(2.51)

где а - градиент результирующей концентрации примеси с размерностью .

 

Рис. 2.9. Вольт-амперная характеристистика р-n-перехода с участком лавинного пробоя

 

Пробой р-п-перехода, как правило, не носит необратимого характера, если только большие токи не разрушают участок перехода. Для того чтобы этого не произошло ток можно ограничить, включив во внешнюю цепь резистор.

Интересная особенность эффекта пробоя заключается в том, что напряжение пробоя можно задавать путем подбора необходимой концентрации примесей в слоях, образующих р-п-переход, т.е. можно проектировать переходы с заранее известными характеристиками. На этом основано использование эффекта пробоя перехода в диодных стабилизаторах напряжения (стабилитронах). Причем в стабилитронах используются переходы как с туннельным, так и с лавинным механизмами пробоя. В кремниевых приборах туннельный пробой обычно имеет место у стабилитронов с напряжением стабилизации менее 5 В. При более высоких напряжениях стабилизации преобладает лавинный механизм пробоя.