Пробой p-n перехода

Физическая природа пробоя

При обратном смещении на p-n переходе в области пространственного заряда создаётся сильное электрическое поле. В условиях низкого напряжения через переход течёт лишь слабый ток обратной насыщенности, обусловленный термической генерацией неосновных носителей. Однако при достижении критического напряжения возникает резкое возрастание тока — пробой p-n перехода.

Пробой не означает механического разрушения структуры, а связан с физическими процессами, усиливающими токоперенос. При этом напряжение на переходе практически перестаёт расти, а ток увеличивается экспоненциально. В зависимости от механизма различают лавинный пробой и туннельный (зонный) пробой.

Лавинный пробой

Лавинный пробой наблюдается в переходах с относительно слабым легированием и широкой областью обеднения. При достаточно высоком обратном напряжении электроны и дырки, ускоряемые электрическим полем, приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристалла.

Механизм процесса:

Электрон, движущийся в сильном поле, сталкивается с атомом решётки и выбивает из валентной зоны новый электрон.
Освобождённый электрон и дырка начинают двигаться в противоположных направлениях, ускоряясь полем.
Каждый из них может вызвать новые акты ионизации.
Процесс приобретает лавинообразный характер.

Условием лавинного пробоя является достижение коэффициента ударной ионизации значения, при котором один носитель в среднем порождает ещё одного на длине перехода.

Характерные особенности лавинного пробоя:

возникает при высоких напряжениях (десятки – сотни вольт);
сопровождается сильным ростом тока при практически постоянном напряжении;
после снятия напряжения структура остаётся работоспособной, если ток был ограничен внешней цепью.

Туннельный (зонный) пробой

В переходах с высоким уровнем легирования p- и n-областей область обеднения получается очень узкой (несколько нанометров). При наложении обратного напряжения энергетические зоны смещаются таким образом, что заполненные состояния валентной зоны p-области оказываются напротив свободных уровней зоны проводимости n-области.

Механизм процесса:

Электроны туннелируют через узкий потенциальный барьер, минуя необходимость получения энергии для преодоления запрещённой зоны.
Такой переход носителей обусловлен квантово-механическим эффектом туннелирования.

Особенности туннельного пробоя:

наблюдается при относительно низких напряжениях (несколько вольт);
критическое напряжение уменьшается при увеличении концентрации примесей;
температура оказывает слабое влияние на напряжение пробоя.

Такой пробой характерен для сильно легированных диодов и известен как эффект Зенера, поэтому туннельный пробой иногда называют зенеровским пробоем.

Сравнение лавинного и туннельного пробоя

Признак	Лавинный пробой	Туннельный (зенеровский) пробой
Уровень легирования	Низкий или средний	Очень высокий
Ширина обеднённого слоя	Широкая	Узкая
Напряжение пробоя	Десятки – сотни вольт	Несколько вольт
Температурная зависимость	Напряжение пробоя увеличивается при росте температуры	Напряжение пробоя уменьшается при росте температуры
Физический механизм	Ударная ионизация	Квантовое туннелирование

Совместное проявление механизмов

В реальных структурах при промежуточных концентрациях примесей и толщине барьера могут одновременно протекать оба механизма. В этом случае характеристика пробоя формируется совместным вкладом лавинной и туннельной составляющих.

Область применения:

В диодах стабилизации напряжения (стабилитронах) используют как зенеровский пробой (для низких напряжений стабилизации), так и лавинный пробой (для высоких напряжений).
Конструктивно выбирают уровень легирования таким образом, чтобы напряжение пробоя находилось в заданных пределах.

Тепловые эффекты при пробое

Если ток пробоя не ограничен внешней цепью, выделяющаяся тепловая мощность может привести к локальному перегреву перехода и его разрушению. Поэтому при проектировании диодов указывается максимально допустимая мощность рассеяния в режиме пробоя.

Важно различать:

электрический пробой (обратимый процесс при ограничении тока);
тепловой пробой (необратимое разрушение из-за перегрева).

Вольт-амперная характеристика в области пробоя

При обратном смещении ВАХ имеет участок насыщения (обратный ток практически не зависит от напряжения). При достижении напряжения пробоя происходит резкий рост тока. В зависимости от механизма пробоя крутизна ВАХ различается:

при туннельном пробое ток возрастает более плавно;
при лавинном пробое — резкий скачок проводимости.

Такое поведение используется в электронной технике для стабилизации напряжения, защиты цепей от перенапряжений и в качестве элемента переключения в некоторых типах приборов.