Параметры лавинного пробоя

Материал и тип перехода	а	m	k
Германиевый n+-р-переход Германиевый p+-n-переход	52 83	0,6 0.6	6 3
Кремниевый р + -n-переход	86	0,65	3,5
Кремниевый n+-,p-лереход	23	0,75	2

Когда приложенное напряжение U приближается к напряжению пробоя U_л, коэффициент размножения носителей резко возрастает, растет число носителей заряда в переходе, сильно увеличивается ток через переход, наступает лавинный пробой.

Влияние электрического поля на пробой диода заключается в том, что, воздействуя на атомы кристаллической решетки, оно повышает энергию валентных электронов и облегчает их переброс в зону проводимости. При значительных напряженностях электрического поля (порядка 200 кВ/см) возможен туннельный пробой, обусловленный прямым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости смежной области, происходящим без изменения энергии электрона (туннельный эффект).

Практически при электрическом пробое могут иметь место в той или иной степени одновременно оба вида пробоя – туннельный и лавинный. Вольт–амперная характеристика диода при электрическом пробое соответствует кривой а на рис. 2.4.

Величина напряжения пробоя существенно зависит от состояния поверхности перехода, где могут образовываться заряды того или иного знака, которые уменьшают или увеличивают результирующую напряженность поля у поверхности по сравнению с ее значением в объеме. В неблагоприятном случае напряжение пробоя по поверхности может быть в несколько раз ниже, чем по объему. Это еще раз подчеркивает важность стабилизации свойств поверхности полупроводника, защиты ее от воздействия окружающей среды.

Тепловой пробой. Тепловой пробой диода возникает вследствие перегрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

В режиме постоянного тока мощность, подводимая к переходу, определяется обратным напряжением U_обр и обратным током I_обр:

P_подв = U_обрI_обр. (2. 17)

Эта мощность идет на разогрев перехода, в результате чего температура перехода Т_п возрастает. При этом увеличиваются концентрация носителей заряда в р-n-структуре и обратный ток перехода, что в свою очередь приводит к увеличению подводимой мощности, новому повышению температуры перехода и т. д.

Можно положить, что обратный ток перехода I_oбр ~ I_o. Тогда, согласно выражению (2.4),

7

I_обр = I_Т exp(– ∆W/ kT_n)

Умножив и разделив это соотношение на ехр(ΔW/ kT_o), где Т_o – температура окружающей среды, получим

I_обр = Δ (2.18)

где

I_обр._н = I_т exp( ΔW/ kT_o) (2.19)

– начальный обратный ток р–n–перехода при данной температуре окружающей среды.

Таким образом, температура перехода и подводимая к нему мощность связаны нелинейной зависимостью (кривая 1 на рис. 2.8)

(2.20)

Выделяющееся в переходе тепло рассеивается преимущественно за счет теплопроводности, поэтому отводимая от перехода мощность пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды:

P_отв = (Т_п – Т_о)/R_T (2.21)

Постоянную величину R_T называют общим тепловым сопротивлением диода *. Оно выражается в градусах на ватт и определяет перепад температуры, необходимый для отвода 1 Вт мощности от перехода в окружающую среду.

Т епловое сопротивление тем меньше, чем больше теплопроводность материала λ и площадь П_т и чем меньше толщина слоя δ_T, проводящего тепло:

λ R_T = δ_T/ λП_т (2.22)

Коэффициент теплопроводности λ у германия равен 0,52 Вт/(см-°С), т. е. примерно в семь раз меньше, чем у меди, отличающейся хорошей теплопроводностью. У кремния теплопроводность лучше: λ = 2,19 Вт/ (см -°С).

Таким образом, отводимая мощность линейно возрастает при увеличении разности температур перехода и окружающей среды Т_п – Т₀ (кривая 2 на рис. 2.8).

В установившемся режиме мощность, подводимая к переходу, и мощность, отводимая от него, должны быть равны:

Р_подв = Р_отв (2.23)

* В ГОСТ 20004—74 для общего теплового сопротивления диода установлено менее удобное обозначение: R_{пер-кор}.

Это условие определяет установившуюся температуру перехода Т_п — точку А пересечения кривых 1 и 2 на рис. 2.8, в которой, кроме того, должно выполняться условие устойчивости режима

Р_подв / Т_п < Р_отв / Т_п (2.24)

При увеличении обратного напряжения U_обр мощность, подводимая к переходу, возрастает и соотношение подводимой и отводимой мощностей может стать таким, что равенство (2.23) не будет удовлетворяться ни при каких значениях

8

температуры перехода (кривая 3 на рис. 2.8). При этом тепловой режим перехода

теряет устойчивость, температура и ток перехода неограниченно растут, возникает тепловой пробой.

Из выражения (2.23), (2.17) и (2.21) найдем, что

U_{обр mах} = (T_{п max} – T_o)/ R_TI_обр • (2.25)

Таким образом, максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр mах} тем выше, чем меньше обратный ток диода I_обр, тепловое сопротивление R_т, температура окружающей среды Т₀ и чем выше максимально допустимая температура перехода Т_{п mах}.

Вольт-амперная характеристика диода в режиме теплового пробоя соответствует кривой б на рис. 2.4. Она имеет падающий характер, так как вследствие повышения температуры перехода концентрация носителей заряда в нем резко увеличивается и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток перехода.

При плохом теплоотводе (кривая 4 на рис. 2.8) тепловой баланс может нарушаться уже при небольших напряжениях U_oбр, которые при правильной эксплуатации не приводят к пробою диода и считаются допустимыми.