что такое туннельный пробой

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Туннельный пробой

Туннельный пробой обычно начинается при напряженности поля порядка 2 107 В / м для германия и 1 108 В / м для кремния. [2]

Туннельный пробой может происходить только в р-я-пере-ходах, изготовленных в полупроводниках с большой концентрацией примесей, так как для туннелирования необходимы малая толщина потенциального барьера и, следовательно, малая толщина перехода. При малой толщине перехода пробивные напряжения его оказываются также малыми. Поэтому пренебрегать контактной разностью потенциалов в выражении (3.74) не следует, так как она может быть сравнима с пробивным напряжением. [4]

Туннельный пробой может происходить только в р-п-пере-ходах, изготовленных в полупроводниках с большой концентрацией примесей, так как для гуннелирования необходимы малая толщина потенциального барьера и, следовательно, малая ширина перехода. При малой ширине перехода пробивные напряжения его оказываются также малыми. Поэтому пренебрегать контактной разностью потенциалов в выражении (3.74) не следует, так как она может быть сравнима с пробивным напряжением. [6]

Туннельный пробой возникает непосредственно при воздействии сильного электрического поля на кристаллическую решетку полупроводникового материала. Для возникновения туннельного пробоя необходим высокий уровень легирования хотя бы одного из контактирующих материалов, образующих диодный р-п-пере-ход. При этом наклон энергетических зон становится таким, что вероятно туннелирование возникающих носителей заряда через запрещенную зону. Туннельный пробой характерен для достаточно сильных электрических полей, причем напряженность поля должна быть тем больше, чем шире запрещенная зона. [12]

Туннельный пробой возникает в очень узких ( тонких) р-я-перехо-дах при напряжении, обычно не превышающем 15 В. [15]

Источник

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

diodaПолупроводниковым 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.

1.2

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). 1.3

Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.4). 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). 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.

Читайте также:  что такое триал в стандофф 2

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. 1.6

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. 1.7

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). 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). 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 is, 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). 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). 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).

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. 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.

Читайте также:  что такое сниффинг и спуфинг

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 С6арp-n-перехода, причем по определению С6ар = | dQ / du | Изобразим графики для Q (рис. 1.20) и C бар (рис. 1.21). 1.20 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). 1.22 1.23

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 Сдиф 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 Спер равна сумме рассмотренных емкостей, т. е. Спер = Сбар + Сдиф.

При обратном смещении перехода ( u 1.24

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

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.

image002

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 pn-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.

Читайте также:  что такое тревога в психологии

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 pn-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 pn-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 pn-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 pn-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 pn-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 pn-перехода в режиме теплового пробоя, соответствующей уравнению (2.83), является наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2.8).

image004

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 pn-переходах с большими обратными токами, в частности германиевых, даже при комнатных температурах тепловой пробой может наступить раньше, чем лавинный или туннельный. В кремниевых pn-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 pn-переходах; пробой может начаться как лавинный, а затем при увеличении обратного тока перейти в тепловой.

Источник

Туннельный пробой p-n-перехода

Туннельный пробой – это электрический пробой p-n-перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем.

energeticheskaja diagramma illjustrirujuschaja tunnelnyj proboj

Рис. 2.6. Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая туннельный пробой

Туннельный пробой возникает обычно в приборах с узким p-n-переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. При этом возможен туннельный эффект, заключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области непосредственно в зону проводимости n-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электрического поля на границе двух областей с разными типами электропроводности энергетические зоны искривляются так, что энергия валентных электронов р-области становится такой же, как энергия свободных электронов n-области (рис. 2.6).

Электроны переходят на энергетической диаграмме (см. рис. 2.6) как бы по горизонтали из заполненной зоны в находящуюся на том же уровне свободную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе, соответственно, через p-n-переход. В результате перехода дополнительных неосновных носителей заряда возникает туннельный ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на p-n-переходе при туннельном пробое остается постоянным (см. рис. 2.5, вертикальный участок кривой 2). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается.

vidy proboja

Рис. 2.5. Виды пробоя p-n-перехода: 1 – лавинный; 2 – туннельный; 3 – тепловой

Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного, не разрушают p-n-переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.

Источник

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Праздники по дням и их значения
Adblock
detector