close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

10 вопрос

код для вставкиСкачать
10. Виды и физические механизмы пробоев электрических переходов. Примеры использования пробоев в полупроводниковых приборах.
Вольт-амперные характеристики стабилитронов с преобладанием лавинного (слева) и туннельного (справа) механизмов пробоя[18]
Полупроводниковый стабилитрон - это диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики. В диоде, к которому приложено обратное, или запирающее, напряжение, возможны три механизма пробоя: туннельный пробой, лавинный пробой и пробой вследствие тепловой неустойчивости - разрушительного саморазогрева токами утечки. Тепловой пробой наблюдается в выпрямительных диодах, особенно германиевых, а для кремниевых стабилитронов он не критичен. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою[19]. Серийные стабилитроны изготавливаются из кремния, известны также перспективные разработки стабилитронов из карбида кремния иарсенида галлия[20].
Первую модель электрического пробоя предложил в 1933 году Кларенс Зенер, в то время работавший в Бристольском университете[21]. Его "Теория электического пробоя в твёрдых диэлектриках" была опубликована летом 1934 года[22]. В 1954 году Кеннет Маккей из Bell Labs установил, что предложеный Зенером туннельный механизм действует только при напряжениях пробоя до примерно 5,5 В, а при бо́льших напряжениях преобладает лавинный механизм[21]. Напряжение пробоя стабилитрона определяется концентрациями акцепторов и доноров и профилем легирования области p-n-перехода. Чем выше концентрации примесей и чем больше их градиент в переходе, тем больше напряжённость электрического поля в областипространственного заряда при равном обратном напряжении, и тем меньше обратное напряжение, при котором возникает пробой:
* Туннельный, или зенеровский, пробой возникает в полупроводнике только тогда, когда напряжённость электрического поля в p-n-переходе достигает уровня в 106 В/см. Такие уровни напряжённости возможны только в высоколегированных диодах (структурах p+-n+-типа проводимости) с напряжением пробоя не более шестикратной ширины запрещённой зоны (6 EG ≈ 6,7 В), при этом в диапазоне от 4 EG до 6 EG (4,5...6,7 В) туннельный пробой сосуществует с лавинным, а при напряжении пробоя менее 4 EG (≈4,5 В) полностью вытесняет его. С ростом температуры перехода ширина запрещённой зоны, а вместе с ней и напряжение пробоя, уменьшается: низковольтные стабилитроны с преобладанием туннельного пробоя имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН)[23].
* В диодах с меньшими уровнями легирования, или меньшими градиентами легирующих примесей, и, как следствие, бо́льшими напряжениями пробоя наблюдается лавинный механизм пробоя. Он возникает при концентрациях примесей, примерно соответствующих напряжению пробоя в 4 EG (≈4,5 В), а при напряжениях пробоя выше 4 EG (≈7,2 В) полностью вытесняет туннельный механизм. Напряжение, при котором возникает лавинный пробой, с ростом температуры возрастает, а наибольшая величина ТКН пробоя наблюдается в низколегированных, относительно высоковольтных, переходах[24].
Механизм пробоя конкретного образца можно определить грубо - по напряжению стабилизации, и точно - по знаку его температурного коэффициента[25]. В "серой зоне" (см. рисунок), в которой конкурируют оба механизма пробоя, ТКН может быть определён только опытным путём. Источники расходятся в точных оценках ширины этой зоны: С. М. Зи указывает "от 4 EG до 6 EG" (4,5...6,7 В), авторы словаря "Электроника" - "от 5 до 7 В"[8], Линден Харрисон - "от 3 до 8 В"[26], Ирвинг Готтлиб проводит верхнюю границу по уровню 10 В[9]. Низковольтные лавинные диоды (LVA) на напряжения от 4 до 10 В - исключение из правила: в них действует только лавинный механизм[11].
Оптимальная совокупность характеристик стабилитрона достигается в середине "серой зоны", при напряжении стабилизации около 6 В. Дело не столько в том, что благодаря взаимной компенсации ТКН туннельного и лавинного механизмов эти стабилитроны относительно термостабильны, а в том, что они имеют наименьший технологический разброс напряжения стабилизации и наименьшее, при прочих равных условиях,дифференциальное сопротивление[27]. Наихудшая совокупность характеристик - высокий уровень шума, большой разброс напряжений стабилизации, высокое дифференциальное сопротивление - свойственна низковольтным стабилитронам на 3,3-4,7 В[28].
Пробой перехода. Пробоем p-n-перехода называют резкое увеличение тока через переход при большом обратном напряжении, создающем в переходе большую напряжённость электрического поля. Напряжение, при котором происходит лавинообразное нарастание тока, называется напряжением пробоя Uпроб. Существует три основных механизма пробоя: туннельный, тепловой и лавинное умножение. Первый и третий механизмы обусловлены увеличением напряжённости электрического поля в переходе, а второй - увеличением рассеиваемой мощности в переходе и, соответственно, его температуры.
В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, связанный с переходом электронов через тонкий потенциальный барьер без изменения энергии (рис. 2.6). Толщина барьера при туннельном переходе частиц составляет порядка 10 нм. Такие барьеры возможны при контакте между сильно легированными полупроводниками (Nд, Na > 5∙1018 см -3). На энергетической диаграмме перехода при обратном смещении (рис 2.6) показан туннельный переход электрона с уровня 1 в валентной зоне p-области на один и тот же энергетический уровень в положение 2 в зоне проводимости n-области. Электрон проходит под энергетическом барьером треугольной формы (точки 1, 2, 3). Необходимым условием туннельного перехода электронов является наличие занятых энергетических состояний в валентной зоне p-области и свободных состояний с теми же значениями энергии в n-области. На рис. 2.6 такие состояния сосредоточены в интервале энергий ΔEтун. Высота потенциального барьера равна ΔEз, а ширина равна d, d меньше толщины обеднённого слоя и уменьшается при увеличении обратного напряжения. При повышении температуры ΔEз уменьшается и напряжение туннельного пробоя снижается, т.е. температурный коэффициент напряжения туннельного пробоя отрицателен.
Лавинное напряжение (или ударная ионизация) связано с размножением носителей под действием сильного электрического поля. Носители, перемещающиеся через p-n-переход при подаче обратного напряжения, на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар за счёт ударной ионизации атомов полупроводника. Рождённые электронно-дырочные пары, ускоряясь полем перехода, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов, появляются новые электронно-дырочные пары и т.д.
При большой ширине запрещённой зоны носители должны приобретать бόльшую энергию в электрическом поле для реализации ударной ионизации, т.е. бόльшим энергиям ΔEз соответствуют и бόльшие Uпроб.
При возрастании температуры Uпроб увеличивается из-за уменьшения длины свободного пробега носителей, при этом требуются бόльшие значения напряжённости электрического поля для того, чтобы произошла ударная ионизация. Следовательно, температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен. Таким образом, по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя можно отличить туннельный пробой от пробоя ударной ионизации.
Тепловой пробой происходит в результате разогрева p-n-перехода под действием обратного тока Iобр. Увеличение обратного напряжения вызывает повышение температуры перехода, что, в свою очередь, приводит к возрастанию Iобр. Количество выделенного переходом тепла, определяющего его температуру, пропорционально (Iобр∙, Uобр). Если количество теплоты, выделенной в переходе, превышает количество отводимой от перехода теплоты, то при достаточном напряжении развивается процесс непрерывного нарастания температуры, а, следовательно, и тока.
Напряжение теплового пробоя тем ниже, чем больше тепловой обратный ток. Вследствие этого на характеристике возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В Si и GaAs p-n-переходах обратные токи весьма малы и напряжение теплового пробоя в таких переходах больше напряжения пробоя для лавинного пробоя. При высоких температурах окружающей среды возможен пробой, когда присутствуют оба механизма.
Документ
Категория
Разное
Просмотров
169
Размер файла
218 Кб
Теги
вопрос
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа