Пробой p-n-перехода

Пробой p-n-перехода — это явление резкого увеличения обратного тока через электронно-дырочный переход (p-n-переход) при превышении приложенным обратным напряжением определённого критического значения, называемого напряжением пробоя. В этом состоянии переход теряет свои выпрямительные свойства, и его сопротивление падает до очень малых значений. Пробой может быть обратимым (не разрушающим структуру перехода) или необратимым (приводящим к тепловому разрушению кристалла). Явление лежит в основе работы ряда полупроводниковых приборов, таких как стабилитроны и лавинные диоды.

Физическая природа пробоя

В рабочем режиме (при прямом смещении) p-n-переход проводит ток, а при обратном смещении — практически не проводит, пропуская лишь незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. При увеличении обратного напряжения напряжённость электрического поля в области пространственного заряда (ОПЗ) возрастает. Когда поле достигает критической величины (порядка 10⁵–10⁶ В/см для кремния), начинаются процессы, приводящие к лавинообразному росту числа носителей заряда. Различают три основных механизма пробоя.

Лавинный пробой

Лавинный пробой является наиболее распространённым типом пробоя в кремниевых диодах. Его механизм аналогичен процессу в газовом разряде. Неосновные носители заряда (электроны и дырки), ускоряясь в сильном электрическом поле ОПЗ, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов кристаллической решётки. При столкновении с атомом такой «горячий» носитель выбивает из него электрон, создавая дополнительную электронно-дырочную пару. Новые носители, в свою очередь, также ускоряются и порождают следующие пары. Этот процесс развивается лавинообразно, приводя к экспоненциальному росту обратного тока.

Напряжение лавинного пробоя (U_лавин) зависит от концентрации примесей в областях p и n. Чем выше концентрация примесей, тем уже область пространственного заряда и тем меньше напряжение, при котором возникает лавина. Для диодов с высоким сопротивлением базы (низкой концентрацией примесей) напряжение пробоя может достигать сотен и тысяч вольт. Лавинный пробой, как правило, обратим — при снижении напряжения ниже порога пробоя переход восстанавливает свои запирающие свойства, если не произошёл перегрев кристалла.

Туннельный пробой (пробой Зенера)

Туннельный пробой, также называемый пробоем Зенера (по имени американского физика Кларенса Зенера), возникает в сильно легированных p-n-переходах (с концентрацией примесей более 10¹⁸ см⁻³). В таких переходах область пространственного заряда очень узкая (менее 0,1 мкм). При обратном смещении энергетические зоны (валентная зона p-области и зона проводимости n-области) перекрываются, и между ними возникает потенциальный барьер, который, однако, оказывается очень тонким.

В квантовой механике существует эффект туннелирования — частица может проходить сквозь потенциальный барьер, даже если её энергия меньше высоты барьера. В данном случае электроны из валентной зоны p-области «туннелируют» сквозь узкий барьер в зону проводимости n-области, не затрачивая энергию на ионизацию. Этот процесс начинается при определённом напряжении, которое практически не зависит от температуры (в отличие от лавинного пробоя). Напряжение туннельного пробоя обычно не превышает нескольких вольт (чаще всего 2–5 В). При более высоких напряжениях (свыше 6–7 В) доминирующим становится лавинный механизм.

Тепловой пробой

Тепловой пробой является необратимым и разрушительным. Он не связан напрямую с электрическим полем, а является следствием перегрева p-n-перехода. При протекании обратного тока (даже небольшого) в переходе выделяется тепловая мощность (P = I_обр * U_обр). Если отвод тепла недостаточен, температура кристалла повышается. Увеличение температуры, в свою очередь, приводит к росту концентрации собственных носителей заряда (электронов и дырок) в полупроводнике, что ещё больше увеличивает обратный ток. Возникает положительная обратная связь: ток растёт — температура растёт — ток растёт ещё сильнее.

При достижении критической температуры (обычно 150–200 °C для кремния) процесс становится лавинообразным. Ток возрастает до значений, при которых происходит расплавление или выгорание полупроводниковой структуры, металлизация контактов или разрушение корпуса прибора. Тепловой пробой может развиться как из лавинного, так и из туннельного, если не ограничить ток во внешней цепи. Для предотвращения теплового пробоя в схемах последовательно с диодом включают токоограничивающий резистор.

Характеристики и параметры

Основной характеристикой пробоя является вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода в области обратных напряжений. На ней пробой проявляется как резкий излом, после которого ток растёт при почти неизменном напряжении (так называемое напряжение стабилизации).

Напряжение пробоя (U_пр)

Это напряжение, при котором обратный ток достигает заданного значения (например, 1 мА или 10 мА). Для стабилитронов это номинальное напряжение стабилизации. Зависит от типа пробоя, концентрации примесей и температуры.

Температурный коэффициент напряжения (ТКН)

Характеризует изменение напряжения пробоя при изменении температуры. Для лавинного пробоя ТКН положителен (напряжение растёт с температурой, примерно +0,07 %/°C для кремния). Для туннельного пробоя ТКН отрицателен (напряжение падает с ростом температуры, примерно –0,07 %/°C). В диапазоне напряжений 5–7 В оба механизма конкурируют, и ТКН может быть близок к нулю, что используется в прецизионных источниках опорного напряжения.

Дифференциальное сопротивление (r_диф)

Это сопротивление перехода в области пробоя, определяемое как r_диф = dU/dI. В идеальном стабилитроне оно должно быть как можно меньше (единицы Ом), что обеспечивает хорошую стабилизацию напряжения.

Применение явления пробоя

Явление пробоя p-n-перехода, несмотря на свою разрушительную природу в общем случае, нашло широкое практическое применение в электронике.

Стабилитроны (диоды Зенера)

Специально спроектированные полупроводниковые диоды, работающие в режиме обратимого пробоя (лавинного или туннельного). Они используются для стабилизации напряжения в источниках питания, в качестве опорных источников напряжения, в ограничителях и защитных цепях. Основной параметр стабилитрона — напряжение стабилизации (от 1,8 В до нескольких сотен вольт) и максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Лавинные диоды

Диоды, рассчитанные на работу в режиме лавинного пробоя. Они применяются в генераторах импульсов (лавинные генераторы), в схемах защиты от перенапряжений (супрессоры, TVS-диоды), а также в лавинных фотодиодах для регистрации слабых оптических сигналов за счёт внутреннего усиления.

Защитные диоды

Обычные выпрямительные диоды могут разрушаться при пробое, поэтому в мощных выпрямителях, блоках питания и силовой электронике используются диоды с лавинной характеристикой (лавинные выпрямители). Они способны без разрушения поглощать кратковременные импульсы обратного напряжения, превышающие номинальное, за счёт обратимого лавинного пробоя.

Критика и ограничения

Хотя явление пробоя широко используется, оно накладывает ограничения на работу полупроводниковых приборов. Основным ограничением является тепловой пробой — при превышении допустимой рассеиваемой мощности или недостаточном теплоотводе прибор выходит из строя. Кроме того, при лавинном пробое возникают шумы (лавинный шум), которые могут быть нежелательны в малошумящих усилителях. В мощных высоковольтных диодах (например, в тяговых преобразователях) лавинный пробой может быть причиной вторичного пробоя — локального перегрева и разрушения кристалла.

Источники

1. Зи, С. М. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. — Т. 1.
2. Миллер, Г. Л. Лавинный пробой в кремниевых p-n-переходах. — М.: Энергия, 1972.
3. Тутов, Н. М., Глебов, Б. А. Полупроводниковые приборы: учебное пособие. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
4. Справочник по полупроводниковым диодам / под ред. Н. Н. Горюнова. — М.: Энергия, 1975.