Лавинный пробой

Лавинный пробой — это явление резкого увеличения электрического тока в полупроводниковом или диэлектрическом материале под действием сильного электрического поля, обусловленное ударной ионизацией атомов кристаллической решётки носителями заряда, ускоренными полем. В результате процесса образуется лавина электронно-дырочных пар, что приводит к пробою p-n-перехода или изолятора. Лавинный пробой является одним из основных типов электрического пробоя и широко используется в работе стабилитронов, лавинных диодов и защитных цепей.

Физический механизм

Лавинный пробой возникает, когда напряжённость электрического поля в области p-n-перехода или в объёме диэлектрика достигает критического значения (обычно порядка 10⁵–10⁶ В/см для кремния). В этих условиях свободные электроны, ускоряясь полем, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов решётки при столкновении. Каждый такой акт порождает новую электронно-дырочную пару, и оба носителя, в свою очередь, ускоряются и вызывают дальнейшую ионизацию. Процесс развивается лавинообразно: за короткое время (наносекунды) концентрация носителей заряда возрастает на несколько порядков, что приводит к резкому падению сопротивления перехода и росту тока.

Условия возникновения

Для начала лавинного пробоя необходимо, чтобы длина свободного пробега носителя (расстояние, проходимое между столкновениями с решёткой) была достаточна для набора энергии, превышающей ширину запрещённой зоны полупроводника. В кремнии при комнатной температуре это требует напряжённости поля около 3×10⁵ В/см. Температура влияет на процесс: с её повышением длина свободного пробега уменьшается из-за усиления фононного рассеяния, поэтому напряжение лавинного пробоя растёт (положительный температурный коэффициент).

Отличие от других типов пробоя

Лавинный пробой следует отличать от туннельного пробоя (пробоя Зенера), который преобладает в узких p-n-переходах при напряжённости поля выше 10⁶ В/см и обусловлен квантово-механическим туннелированием электронов через запрещённую зону. Основные различия:

• Механизм: лавинный — ударная ионизация; туннельный — туннельный эффект.
• Температурная зависимость: напряжение лавинного пробоя растёт с температурой; туннельного — падает.
• Напряжение пробоя: лавинный обычно наблюдается при напряжениях выше 5–6 В (для кремния), туннельный — при меньших.
• Время развития: лавинный процесс медленнее (единицы–десятки наносекунд), туннельный — практически безынерционен.

В реальных приборах оба механизма могут сосуществовать, особенно в диапазоне напряжений 5–7 В, где их вклад сопоставим.

Применение в полупроводниковых приборах

Лавинный пробой является рабочим режимом для ряда электронных компонентов, где он используется для стабилизации напряжения, защиты от перенапряжений и генерации импульсов.

Стабилитроны (опорные диоды)

Стабилитроны (диоды Зенера) работают в режиме обратимого лавинного пробоя. При достижении напряжения пробоя ток через диод резко возрастает, а напряжение на нём остаётся практически постоянным (слабо зависит от тока). Это свойство позволяет использовать стабилитроны для стабилизации напряжения в источниках питания и эталонных источниках опорного напряжения. Напряжение стабилизации современных стабилитронов может составлять от 2 до 200 В, причём для значений выше 6–7 В доминирует именно лавинный механизм.

Лавинные диоды

Лавинные диоды (например, диоды с лавинным пролётом — IMPATT-диоды) специально спроектированы для работы в режиме лавинного пробоя с целью генерации СВЧ-колебаний. В таких приборах лавинный процесс создаёт отрицательное дифференциальное сопротивление, что позволяет использовать их в качестве генераторов и усилителей в диапазоне частот от 1 до 100 ГГц. Лавинные диоды применяются в радиолокации, спутниковой связи и измерительной технике.

Защитные диоды (TVS-диоды)

TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor) — диоды для защиты от импульсных перенапряжений. Они также работают на основе лавинного пробоя, но в отличие от стабилитронов рассчитаны на рассеяние больших импульсных мощностей (до нескольких киловатт). При превышении порогового напряжения диод переходит в режим лавинного пробоя, шунтируя защищаемую цепь и ограничивая напряжение на безопасном уровне.

Лавинный пробой в диэлектриках

В твёрдых диэлектриках (например, в полимерах, керамике, оксидных плёнках) лавинный пробой часто является завершающей стадией электрического пробоя. При достижении критической напряжённости поля в диэлектрике развивается лавина носителей, что приводит к образованию проводящего канала и, как правило, к необратимому разрушению материала (пробою). В газообразных диэлектриках (воздух, элегаз) лавинный пробой лежит в основе искрового и дугового разрядов, однако в газах механизм осложнён процессами фотоионизации и вторичной эмиссии.

Лавинный пробой в силовой электронике

В силовых полупроводниковых приборах (диодах, транзисторах, тиристорах) лавинный пробой является нежелательным явлением, так как может привести к выходу компонента из строя. Для предотвращения пробоя p-n-переходы силовых приборов проектируют с плавными градиентами концентрации примесей и используют охранные кольца, снижающие напряжённость поля. Однако в некоторых случаях (например, в лавинных транзисторах) пробой используется для получения коротких мощных импульсов тока.

Интересные факты

• Явление лавинного пробоя было впервые описано в 1920-х годах при изучении пробоя газов, а в полупроводниках — в 1950-х годах после создания первых кремниевых диодов.
• Вольт-амперная характеристика стабилитрона в области лавинного пробоя имеет отрицательный дифференциальный участок только при очень малых токах; в рабочей области она почти вертикальна.
• Лавинный пробой в кремнии может быть обратим, если ток ограничен внешней цепью и не превышает допустимой мощности рассеяния. При превышении мощности наступает тепловой пробой, разрушающий кристалл.
• В некоторых полупроводниковых приборах (например, в лавинных фотодиодах) лавинный пробой используется для усиления фототока: одна поглощённая частица света может породить лавину из тысяч электронов, что позволяет регистрировать одиночные фотоны.

Источники

• Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. — Т. 1.
• Миллер Г. Л. Лавинный пробой в полупроводниках. — М.: Наука, 1972.
• Стриха В. И. Теоретические основы работы полупроводниковых приборов. — Киев: Вища школа, 1974.
• Sze S. M., Ng K. K. Physics of Semiconductor Devices. — 3rd ed. — Wiley, 2007.