Механизмы пробоя p-n-переходов

При достаточно большом обратном смещении р-n-переход “пробивается” и через него протекает очень большой ток. Различают три основных механизма пробоя: туннельный эффект, лавинное умножение, тепловая неустойчивость.

Туннельный пробой. В основе данного вида пробоя лежит туннельный эффект, т.е. проникновение электронов сквозь потенциальный барьер, когда его толщина достаточно мала. (рис. 7.3). Когда электрическое поле в германиевых или кремниевых р-n-переходах достигает ~10⁶B/см начинают протекать токи, обусловленные туннельными переходами между зонами. Для получения таких полей концентрации примеси в р- и n-областях должны быть достаточно высокими. Туннельный пробой, происходит в германиевых и кремниевых р-n-переходах при напряжениях пробоя меньших 4E_g/q. При напряжениях пробоя (4¸ 6)E_g/q пробой обусловлен как туннельным, так и лавинным механизмами. При напряжениях пробоя больших 6E_g/q пробой связан с лавинным механизмом. Так как ширина запрещенной зоны Ge, Si, GaAs уменьшается с увеличением температуры, то напряжение пробоя связанное с туннельным эффектом имеет отрицательный температурный коэффициент.

Лавинное умножение. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения диодов и коллекторного напряжения биполярного транзистора. Процесс лавинного пробоя полупроводника аналогичен ударной ионизации в газе. Электрон или дырка ускоренные полем могут ионизировать атом полупроводника, в результате чего получится новая пара электрон-дырка, а ток через р-n-переход возрастает. При достаточно большой

напряженности электрического поля ионизация может приобрести лавинный характер. При лавинном пробое пробивное напряжение с ростом температуры увеличивается.

Для резкого несимметричного р-n-перехода напряжение пробоя равно:

, (7.2.1)

где N_б - концентрация примеси в слаболегированной области,

e_m - максимальное электрическое поле.

Тепловой пробой. Тепловой механизм пробоя обусловлен выделением тепла в р-n-переходе при протекании обратного тока. Рассеиваемая в переходе мощность равна P=UI_oб. Под действием этой мощности увеличивается температура перехода, а следовательно растет и обратный ток. Вследствие теплового нагрева на обратной ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, ток резко возрастает и диод выходит из строя. На рисунке 7.4 показаны ВАХ кремниевых р-n-переходов с лавинным - 1, туннельным - 2, тепловым – 3 пробоями.

 

 

	Сбар Сбар(0)

U

 

Рис. 7.1

 

0.4

U, В

Cбар

CD

C

 

 

Рис. 7.2

 

	p

 

Eg

n

Eg

 

Рис. 7.3

 

 

	I

U

 

Рис. 7.4

Механизмы переноса заряда через тонкие

Диэлектрические пленки

Основными механизмами переноса заряда, определяющими проводимость изолирующих пленок являются: термополевая эмиссия Шоттки, эмиссия Пула-Френкеля и сильнополевая туннельная инжекция по Фаулеру-Норугейму.

Термополевая эмиссия по Шоттки. Термоэлектронная эмиссия электронов объясняется наличием высокоэнергетического «хвоста» в распределении электронов по энергии.

Термоэлектронная эмиссия – это испускание электронов нагретым телом в вакууме (рис.7.5).

 

 

Рис. 7.5

 

При наложении внешнего электрического поля происходит понижение потенциального барьера, разделяющего металл и диэлектрик. Это явление называется эффектом Шоттки.

Снижение потенциального барьера происходит в результате сложения потенциала внешнего поля u_ε =qε _x с потенциалом u₀ на границе металл-диэлектрик, определяемым силами зеркального изображения (рис.7.6).

Термополевая эмиссия Шоттки представляет собой надбарьерную термоэлектронную эмиссию, облегченную за счет наложения внешнего электрического поля. Эмиссия Шоттки является одним их основных механизмов переноса зарядов в системах металл-диэлектрик-металл и металл-полупроводник-металл.

 

 

 

Рис. 7.6

 

Плотность тока эмиссии по Шоттки равна:

,

где А=12∙ 10⁵А /см²∙ град²/ - постоянная Ричардсона. φ _В – высота потенциального барьера.

Эмиссия Пула-Френкеля. В диэлектрических слоях, содержащих большое количество структурных дефектов и примесей, имеется высокая концентрация ловушек, способных захватывать носители.

Сильное электрическое поле может вызвать активацию свободных носителей заряда внутри самой диэлектрической пленки рис. 7.7. Эмиссия Пула-Френкеля это ускоренный электрическим полем процесс термовозбуждения электронов с ловушек в зону проводимости диэлектрика.

 

 

 

Рис. 7.7

 

Плотность тока эмиссии по Пулу-Френкелю равна

,

где В – коэффициент пропорциональности, φ _в – глубина ловушки.

Зависимости плотностей токов эмиссий по Шоттки и Пулу-Френкелю спрямляются в координатах lg j=f .

Токи эмиссий Шоттки и Пула-Френкеля сильно зависят от температуры.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: