А) Лавинный пробой

Лавинный пробой возникает в так называемых «толстых» переходах. Под действием сильного электрического поля электроны, двигаясь с большой скоростью, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов кристаллической решетки.

Механизм ударной ионизации: свободный электрон, обладающий большой кинетической энергией, ударяясь о нейтральный атом, передает валентным электронам этого атома часть своей энергии, и они отрываются от атома, становясь свободными. Атом при этом ионизируется.

Возникшие в результате ионизации свободные электроны также разгоняются электрическим полем, ударяются о новые атомы кристаллической решетки и выбивают из них следующую партию электронов. Процесс нарастает лавинообразно (как снежный ком) – отсюда и название пробоя – «лавинный».

Для ударной ионизации необходимо поле с напряженностью:

В результате ударной ионизации возникает размножение НЗ, и обратный ток резко возрастает – возникает лавинный пробой.

На лавинном пробое работают такие полупроводниковые приборы, как стабилитроны, тиристоры, лавинные транзисторы и др.

Б) Туннельный пробой

Если напряженность электрического поля достигнет значения и переход будет очень тонкий (с толщиной запирающего слоя ), возможен туннельный пробой – переход электронов из валентной зоны (ВЗ) одного полупроводника в зону проводимости (ЗП) другого полупроводника без изменения энергии.

Тонкий переход получается при высокой степени легирования полупроводников (), т.е. когда используются вырожденные полупроводники.

Механизм туннельного пробоя:

Электрон, движущийся в сторону очень узкого перехода, под действием очень сильного поля пройдет через переход, как через туннель, и займет свободный уровень с такой же энергией по другую сторону перехода.

Таким образом, обязательным условием туннельного пробоя, кроме сильного поля и тонкого перехода, является наличие свободного уровня по другую сторону перехода. При этом ВЗ одного полупроводника должна находиться на одном уровне с ЗП другого полупроводника.

Туннельный и лавинный пробои обратимы – снятие обратного напряжения полностью восстанавливает свойства p-n перехода.

Электрический пробой предшествует тепловому.

На туннельном пробое работают туннельные диоды.

В одном и том же переходе не может быть и лавинный и туннельный пробой одновременно, т.к. вид пробоя зависит от толщины перехода и величины напряженности электрического поля.

4 Внутренний и внешний фотоэффект

4.1 Внутренний фотоэффект

Поток фотонов нельзя рассматривать как непрерывный поток. Он представляет собой поток отдельных порций энергии – квантов.

При облучении полупроводника таким потоком фотоны отдают свою энергию валентным электронам, освобождая их от ковалентных связей. Если эта энергия превышает ширину запрещенной зоны, то электроны смогут перейти из ВЗ в ЗП, т.е. возникнет фотогенерация (ее еще называют внутренним фотоэффектом).

Фотогенерация – это процесс образования пар электрон + дырка в полупроводнике при его электромагнитном облучении.

Возникшие в результате фотогенерации НЗ увеличивают проводимость полупроводника. Проводимость, вызванная действием фотонов, называется фотопроводимостью.

Рассмотрим собственный полупроводник:

W

Ө n_i Ө n_ф

Wп

генерация фотогенерация W

Wв

Ө p_i Ө p_ф

p_i, n_i – концентрация дырок и электронов, образованных в процессе генерации;

p_ф, n_ф – концентрация дырок и электронов, образованных в процессе фотогенерации.

У металлов явление фотопроводимости отсутствует, т.к. у них огромна концентрация свободных электронов (N10²² 1/см³) и не может заметно возрасти под действием облучения.