Электронно-дырочный переход. Пробой p-n перехода

1.

Электроника
Тема лекции: Электронно-дырочный переход
§ 6 Пробой p-n перехода
Лекторы:
Елфимов Вячеслав Ильич
к.т.н., профессор каф. РЭИС
Дурнаков Андрей Адольфович
ст. преподаватель каф. РЭИС
Разработчики:
Елфимов В.И., Дурнаков А.А.

2. Общая характеристика пробоя p-n перехода

Пробой p-n перехода
Общая характеристика пробоя p-n перехода
Пробой p-n перехода – это явление резкого
уменьшения дифференциального сопротивления p-n
перехода, которое приводит к резкому увеличению
обратного тока, при достижении критического
значения обратного напряжения.
Напряжение, при котором наступает пробой
перехода, зависит от типа p-n перехода и может
иметь величину от единиц до сотен вольт.
2

3.

Пробой p-n перехода
ПРОБОЙ
электрический
пробой
полевой
тепловой
пробой
лавинный
й
3

4. Тепловой пробой p-n перехода

Пробой p-n перехода
Тепловой пробой p-n перехода
характерен для широких p-n переходов, у которых
база слабо легирована примесями;
причина – нарушение теплового баланса;
обусловлен разогревом p-n перехода при протекании
через него обратного тока.
4

5.

Пробой p-n перехода
В режиме постоянного тока мощность,
выделяемая в p-n переходе, определяется
соотношением:
Рвыд I обр U обр
Отводимая от p-n перехода мощность:
PОТВ
(TП TОКР )
RТ
Тепловое сопротивление
определяет
перепад T, необходимый для отвода 1 Вт
мощности от p-n перехода в окружающую
среду.
5

6. Тепловой пробой p-n перехода

Пробой p-n перехода
Тепловой пробой p-n перехода
В установившемся режиме
Ротв Рвыд
При нарушении теплового баланса
Рост выделяемой
мощности
Рост температуры
Рвыд Ротв
Рост
Iобр
Тепловой режим перехода теряет устойчивость: Т и
ток перехода неограниченно растут. Возникает
тепловой пробой.
6

7.

Пробой p-n перехода
ВАХ теплового пробоя
I
U обр
U проб2
U проб1
U
A
B
T=20 °C
T=40 °C
I обр
участок АВ: rДИФ = dUобр / dIобр < 0
7

8.

Пробой p-n перехода
Температурный коэффициент напряжения
для теплового пробоя :
ТКНТЕПЛ = Uпроб/ Т 0,
где Uпроб = Uпроб2 – Uпроб1 , Т = Т2 – Т1.
Тепловой пробой – необратимый пробой,
приводит к разрушению перехода. Он
характерен для германиевых
полупроводниковых диодов и мощных
транзисторов.
8

9. Полевой пробой p-n перехода

Пробой p-n перехода
Полевой пробой p-n перехода
электрический вид пробоя U проб 5 В
характерен для сравнительно узких p-n переходов
(ширина p-n перехода в равновесном состоянии
составляет сотые доли микрометра)
lобр
обе области p-n перехода имеют высокую степень
легирования примесями
N пр 1017 1018 см 3
напряженность электрического поля
Екр U обр / I обр (2 4) 10 5 В/см
туннельный эффект – явление «просачивания»
электронов сквозь узкий энергетический барьер p-n
перехода
9

10.

Пробой p-n перехода
W(x)
p - область
Eк Eвн
n - область
WП
WЗ
Wср
e( к U обр )
WB
WF
WП
WF
Wср
WB
lобр
x
Энергетическая диаграмма при полевом пробое
10

11.

Пробой p-n перехода
ВАХ полевого пробоя
U обр
U проб1
I
U проб2
0
T=20 °C
.
T=50 °C
U
I обр
11

12.

Пробой p-n перехода
Температурный коэффициент напряжения
для полевого пробоя :
ТКНпол = Uпроб/ Т 0,
где Uпроб = Uпроб2 – Uпроб1 при Iобр = const, Т
= Т2 – Т1 .
Напряжение полевого пробоя определяется
эмпирическим соотношением:
Uпроб = А n+В p
где n и p – удельные сопротивления n- и pобластей, прилегающих к переходу.
12

13. Лавинный пробой p-n перехода

Пробой p-n перехода
Лавинный пробой p-n перехода
электрический вид пробоя
U проб 7 В
проявляется в p-n переходах ширина, которых
достаточно большая
lобр
напряженность электрического поля
EКР=(80−120) кВ/см
ударная ионизация нейтральных атомов
полупроводника непосредственно в p-n переходе
быстрыми электронами (дырками), которые получили
достаточное ускорение за счет действия
электрического поля p-n перехода.
13

14.

Пробой p-n перехода
Механизм ударной ионизации
14

15.

Пробой p-n перехода
Напряжение лавинного пробоя:Uпроб = А б В,
где б – удельное сопротивление базы перехода, А,
В – коэффициенты, зависящие от материала и типа
электропроводности полупроводника.
Например, для p-n перехода с базой n-типа
1
1
б
б q n nn
Чем меньше N пр в базе, тем выше б , шире p-n
переход, меньше Еобр , тем больше напряжение
лавинного пробоя.
Температурный коэффициент напряжения при
лавинном пробое: ТКНЛАВ = Uпроб/ Т 0
15

16.

Пробой p-n перехода
ВАХ лавинного пробоя
I
U обр
U проб1
U проб2
0
2
1
U
I обр
1 – T=20 °C, 2 – T=50 °C
16

17. Выводы

Пробой p-n перехода
Выводы
1. Тепловой пробой – необратимый пробой, причина –
2.
3.
4.
5.
нарушение теплового баланса, характерен для
германиевых полупроводниковых диодов и мощных
транзисторов.
Электрические виды пробоя: полевой и лавинный.
Напряжение лавинного пробоя более 7 В, полевого
пробоя менее 5 В.
ТКН лавинного пробоя – положительный, полевого и
теплового пробоя – отрицательный.
Уменьшение степени легирования приводит к
увеличению напряжения лавинного и полевого
пробоя.
17