Учет дополнительных факторов, влияющих на вольт-амперную характеристику перехода
В проведенном анализе, позволяющем главным образом объяснить принцип действия p-n-перехода, не учитывались некоторые факторы, отражающиеся на его реальной вольт-амперной характеристике.
На прямую ветвь вольт-амперной характеристики перехода оказывает влияние объемное сопротивление слоев p-n-структуры (особенно при больших токах), увеличивающее падение напряжения ΔUа на диоде. В кремниевых диодах это влияние более значительно, чем в германиевых, так как из-за меньшей подвижности носителей заряда удельное сопротивление кремния выше. С учетом падения напряжения в слоях в кремниевых диодах при протекании прямого тока ΔUа = 0,8÷1,2 В, а в германиевых ΔUа = 0,3÷0,6 В.
На обратную ветвь вольт-амперной характеристики перехода оказывают влияние ток утечки через поверхность p-n-перехода и генерация носителей заряда, которая является причиной возможного пробоя p-n-перехода. Оба фактора приводят к тому, что обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода принимает вид, показанный на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики реальных переходов
Ток утечки связан линейной зависимостью с напряжением Ub. Он создается различными загрязнениями на внешней поверхности p-n-структуры, что повышает поверхностную электрическую проводимость p-n-перехода и обратный ток через переход. Эта составляющая обратного тока обусловливает появление наклонного участка 1—2 на характеристике диода (рис. 2.5).
Влияние генерации носителей заряда в p-n-переходе обычно сказывается при повышенных обратных напряжениях. Оно проявляется вначале в нарушении линейной зависимости изменения обратного тока от напряжения Ub (участок 2—3), а затем в резком возрастании обратного тока (участок 3—5), характеризующем пробой p-n-перехода.
В зависимости от причин, вызывающих появление дополнительных носителей заряда в p-n-переходе, различают электрический пробой и тепловой пробой.
Электрический пробой, в свою очередь, может быть лавинным или туннельным. Рассмотрим эти виды пробоя.Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей в p-n-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Он происходит следующим образом. Неосновные носители заряда, поступающие в p-n-переход при действии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответствующей напряженности электрического поля носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда — электроны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер.
Лавинный пробой возникает в широких p-n-переходах, где при движении под действием электрического поля носители заряда, встречаясь с большим количеством атомов кристалла, в промежутке между столкновениями приобретают достаточную энергию для их ионизации.
В основе туннельного пробоя лежит непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополнительные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный ток через p-n-переход. Туннельный пробой развивается в узких p-n-переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля.
Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением почти вертикального участка 3—4 на обратной ветви вольт-амперной характеристики (рис. 2.5). Причина этого заключается в том, что небольшое повышение напряжения на p-n-переходе вызывает более интенсивную генерацию в нем носителей заряда при лавинном или туннельном пробое.
Оба эти вида пробоя являются обратимыми процессами. Это означает, что они не приводят к повреждению перехода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.
Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в p-n-переходе при недопустимом повышении температуры.
Процесс развивается лавинообразно и ввиду неоднородности p-n-перехода обычно носит локальный характер. Лавинообразное развитие теплового пробоя обусловливается тем, что увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка p-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выходом прибора из строя.Тепловой пробой может произойти в результате перегрева отдельного участка p-n-перехода вследствие протекания большого обратного тока при лавинном или туннельном пробое (участок 4—5 на рис. 2.5). Тепловой пробой здесь является следствием недопустимого повышения обратного напряжения (перенапряжения). Велика вероятность наступления теплового пробоя при общем перегреве p-n-перехода ввиду ухудшения, например, условий теплоотвода.
В этом случае он может произойти при меньшем напряжении Ub, минуя стадии лавинного или туннельного пробоя.
Возможность теплового пробоя p-n-перехода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения Ub доп и температурного диапазона работы. Величина допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,5÷0,8) Uпр.