книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

Различают электрические пробои, которые обусловлены дей­ ствием электрического поля в переходном слое, и тепловой пробой, вызванный перегревом перехода.

Электрические пробои. Существуют три вида электрических пробоев: лавинный, туннельный и поверхностный.

Лавинный (таундсеновскнй) пробой в р-п переходе вызывается ударной ионизацией: электроны, пролетающие сквозь переходный слой, ускоряются в нем электрическим полем и при напряжениях, превышающих критическое значение, приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с атомами ионизировать их, образуя пары электрон — дырка. Вновь образо­ ванные электроны, ускоряясь полем, в свою очередь могут также вызвать ионизацию атомов. Таким образом, будет происходить лавинообразное нарастание тока, приводящее к пробою р-п перехода. При этом ток / , протекающий через переход, превысит в М раз величину тока / 0 , обусловленного потоком первоначаль­ ных носителей, т. е.

1 = М1а.

Коэффициент М определяется эмпирической формулой [Л. 29]

(3-17)

и называется коэффициентом лавинного умножения. Напряжение лавинного пробоя Un связано с удельным сопротивлением базовой области р-п перехода соотпошеннем

да. С повышением температуры напряжение пробоя возрастает, так как сокращается длина свободного пробега электронов и умень-

70

шается энергия, приобретаемая ими на длине свободного пробега. Поэтому ионизация атомов электронами, пролетающими через переходный слой, происходит при больших напряжениях. Зави­ симость напряжения лавинного пробоя от температуры опреде­ ляется эмпирической формулой [Л. 23]

г/л(2п1) = с / л ( 7 1 2 ) [ 1 + с л ( ? 1 1 - ? 1 2 ) ] .

Температурный коэффициент напряжения пробоя Сл для крем­ ния равен 8,8-10-4 1/о С, а для германия 1,2-Ю- 3 1/°С.

Туннельный (зеперовский) пробой [Л. 27] происходит тогда, когда напряженность электрического поля в переходе возрастает настолько, что становится возможным туннельный переход элект­ рона из валентной зоны р-области непосредственно в зону про­ водимости /г-области (рис. 3-19).

узким, то возможен переход электрона из валентной зоны непо^ средственно в зону проводимости. Это и есть туннельный эффект, который приводит к увеличению тока.

Напряжение туннельного пробоя для германиевых приборов определяется формулой (3-19а), а для кремниевых — формулой (3-196):

Здесь рп и рр — удельные сопротивления областей п и р . Напряжение туннельного пробоя уменьшается с повышением

температуры вследствие изменения ширины запрещенной зоны. При увеличении температуры ширина запрещенной зоны умень­ шается. Уровни энергии электронов в зоне проводимости и в валент­ ной зоне выравниваются при меньших напряжениях. Туннельный переход становится возможным при более низких напряжениях.

Поверхностный пробой [Л. 26] возникает в тех областях полу­ проводниковых кристаллов, где переходный слой выходит иа

71

поверхность. Этот вид пробоя обусловлен возрастанием напряжен­ ности поля из-за действия заряда адсорбированных ионов иа поверх­ ности кристалла. Поэтому в слоях перехода, непосредственно примыкающих к поверхности, пробой происходит при сравнительно низких напряжениях смещения. Соответствующей обработкой поверхности полупроводника можно исключить возникновение поверхностного пробоя.

Тепловой пробой. Явление теплового пробоя связано с нару­ шением теплового баланса в кристалле [Л. 32]. При прохождении обратного тока в переходе выделяется определенная тепловая энер­ гия, мощность которой Р = С/ц-^обр- Если выделяемое тепло пре­ вышает тепло, отводимое от перехода, то температура перехода начинает повышаться и увеличивается тепловой ток. В свою оче­

тепла, а следовательно, еще больше становится величина тока, протекающего через переход, и т. д. Наступает тепловая неустой­ чивость, которая приводит к разогреву перехода, в результате чего возникает лавинообразное увеличение обратного тока, при­ водящее к тепловому пробою.

72

тельно велико, то при некоторой температуре устанавливается тепловой баланс, мощность, выделяемая на переходе, перестает возрастать, и дальнейшее нара­ стание тока прекращается. При сравнительно малых значениях сопротивле­

вприборах с туннельным пробоем.

2.Из-за тепловой неустойчивости температура перехода, непрерывно

возрастая, достигает критической Г К р , при которой наступает вырождение полупроводникового кристалла. При этом ток через переход резко возрастает, так как вырожденный р-п переход не обладает выпрямляющими свойствами.

Критическая температура перехода определяется для германиевых кри­ сталлов эмпирической формулой (3-20а), а для кремниевых — (3-206) [Л. 32]:

Вольт-амперная характеристика при отпирающем смещении. Модуляция объемного сопротивления. Диффузионное падение напряжения

При отпирающем смещении ток р-п перехода обычно много больше, а падение напряжения на переходе, как правило, много меньше, чем при запирающем смещении. При прямом включении максимальная величина напряжения на переходе Ua не может превышать контактную разность потенциалов (срк = 0,3 н- 0,9 в). При обратном же смещении максимальное напряжение опреде­ ляется напряжением пробоя, величина которого может составить сотни и тысячи вольт.

Поскольку прямой ток сравнительно велик, а напряжение мало, то током утечки можно пренебречь и представить общий ток сум­

где то — эмпирический коэффициент, величина которого меньше единицы.

С изменением напряжения доля этих составляющих в общем токе существенно меняется, поэтому целесообразно рассматри­ вать отдельно области малых, средних и больших токов.

Область малых токов. В этой области можно пренебречь паде­ нием напряжения в объеме полупроводника и считать, что напря­ жение, приложенное к электродам прибора, почти полностью падает на собственно переходе: Un = U. Область малых токов соответ-

73

ствует низкому уровню инжекции, когда ток рекомбинации — гене­ рации и канальный ток оказывают существенное влияние. Суммар­ ный ток определяется сравнительно сложным соотношением (3-21). Для практических расчетов предпочтительно более простое ана­ литическое выражение, позволяющее приближенно рассчитать реальную вольт-амперную характеристику р-п перехода:

и коэффициента в степени экспоненты, с помощью которых учиты­ вается влияние всех слагаемых тока, протекающего через переход.

Средние значения теплового тока и коэффициента m можно определить, построив вольт-амперную характеристику р-п перехода в полулогарифми­ ческом масштабе (рис. 3-21) (7М — масштабный ток). При значениях U, состав­

ляющих несколько единиц ф г и более, она будет представлять прямую лпнию с наклоном пмрт. Продолжив линейный участок вольт-амперной характерис­

тики до пересечения с осью абсцисс, в точке пересечения получим среднее значение теплового тока ITQ.

Область средних токов. При увеличении напряжения смеще­ ния доля рекомбинационного и канального токов уменьшается по сравнению с диффузионным током ID- Поэтому в области средних токов вольт-амперную характеристику можно описать известным для идеального р-п перехода соотношением

TD /ехр

74

Отличительной особенностью реального р-п перехода является то, что падение напряжения на переходе Un не равняется внешнему напряжению U, приложенному к выводам прибора. При средних уровнях инжекции сказывается влияние падения напряжения на объемных сопротивлениях базы гд и эмиттера г'3:

Uo6 = Ir6 + Ir'a,

поэтому

Un=U-Uo5.

Учитывая, что обычно гб ^> г'ь, реальную вольт-амперную характеристику р-п перехода можно описать формулой

Область больших токов. При работе в этой области рекомбииационным и канальным токами можно тем более пренебречь. Ток, протекающий через переход, практически определяется диф­ фузионными составляющими. Существенно возрастает роль паде­ ния напряжения в объеме полупроводника: падение напряжения на переходе Un, приближаясь к контактной разности потенциалов фд, меняется незначительно, и почти все внешнее напряжение падает

ветствующих высоким уровням инжекции, является то обстоятель­ ство, что концентрация неосновных носителей заряда становится сравнимой с концентрацией основных носителей заряда, так как уровень избыточных носителей, инжектируемых в данную область, заметно повышается. При этом усиливается и инжекция основных носителей, что приводит к снижению эффективности эмиттера.

а из области эмиттера в базу переходят дырки с концентрацией

При низких и средних уровнях инжекции концентрации основ­ ных носителей мало отличаются от своих равновесных значений,

75

При высоких уровнях инжекции концентрация неосновных и основных носителей заметно превышает свое равновесное значе­ ние. При этом концентрацию неосновных носителей можно выра­ зить через их равновесное значение, введя в степень экспоненты коэффициенты тп и тр, представив соотношеиия (3-24) и (3-25) в виде

Тогда электронная и дырочная составляющие токов инжекции определяются формулами:

^ ~ ^ р ( е х Р - 1 ) - **Р е х Р ^ • (З - 2 6 6 )

на рис. 2-3 (см. § 2-5). Из графика следует, что при одном и том же значении напряжения Un большую величину имеет коэффициент,

Вольт-амперная характеристика р-п перехода при больших токах определяется главным образом падением напряжения в объе­ ме полупроводника. В общем случае это падение напряжения скла­ дывается из двух составляющих х :

Uo5 = (' Е d I = ( 1 dl + e( Д р ^ - Д п ^ а а г с

76

деляется электропроводностью полупроводникового материала

[Л. 34]. Это напряжение определяется электрическим полем, которое обусловлено появлением заметного перепада концентрации основ­ ных носителей заряда. При высоких уровнях инжекции диффу­ зионное падение напряжения достигает значительной величины и при токах, граничащих с предельно допустимым уровнем в им­ пульсе, становится определяющим.

При высоких уровнях инжекции электропроводность а и соответственно объемное сопротивление полупроводника меняются с изменением уровня инжекции. По мере повышения уровня инжек­ ции увеличивается концентрация носителей заряда, поэтому возрастает электропроводность [см. выражение (3-29)], а следо­ вательно, уменьшается объемное сопротивление. Происходит модуляция объемного сопротивления, что особенно заметно про­ является в базовой области.

В области больших токов для практических расчетов обычно используется экспериментально снятая вольт-амперная характери­ стика. Аналитическое определение этой характеристики в рас­ сматриваемой области связано с существенными затруднениями, так как требует учета дополнительных эффектов (увеличение потока основных носителей; диффузионное падение напряжения; модуля­ ции объемного сопротивления), которые трудно поддаются расчету.

3-6. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА В ОБЛАСТИ ВЫСШИХ ЧАСТОТ

Рассмотрим амплитудно-частотную и фазочастотную характе­ ристики электронно-дырочного перехода (рис. 3-22). Эти харак­ теристики определяют зависимость амплитуды и фазы приложенно­ го к элементам прибора синусоидального напряжения U (/со) от час­ тоты тока синусоидальной формы, амплитуда которого поддержи­ вается постоянной. При снятии частотных характеристик амплиту­ ды синусоидальных составляющих тока и напряжения выбирают столь малыми (по сравнению с постоянными составляющими, обес­ печивающимися источником постоянного напряжения), чтобы можно было пренебречь высшими гармониками, которые появ­ ляются неизбежно из-за нелинейности вольт-амперной характери­ стики р - п перехода.

Как видно из частотных характеристик, представленных на рис. 3-22, в области высших частот происходит уменьшение ам­ плитуды синусоидального напряжения и появляется савиг фазы

77

этого напряжения относительно фазы тока. Эти искажения свиде­ тельствуют о реактивном действии электронно-дырочного перехода. Разумеется, реальные приборы обладают паразитными конструк­ тивными емкостями и индуктивностями вводов, которые таже яв­ ляются причинами частотных искаже­ ний. Однако объяснить наблюдаемые на практике искажения амплитуды и фаз напряжения, приложенного к р-п переходам, действием только паразит­ ных реактивностей не удается. Эти иска­ жения в значительной мере обуслов­ лены влиянием зарядной и диффузион-

пой емкости р-п перехода.

сителями заряда. Например, с увеличением запирающего напря­ жения переходный слой расширяется (рис. 3-23). Прп этом под действием вновь образовавшегося электрического поля часть подвижных носителей удаляется из слоев, прилегающих к пере­ ходу как со стороны области р , так и со стороны области п. На рис. 3-23 эти слои находятся между штриховыми линиями,

слоя, и штрихпунктирными линиями, разграничивающими пере­ ходный слой при увеличенном смещении. Во время передвижения носителей заряда, рассасывающихся из прилегающих к переходу слоев, образуются направленные потоки и соответственно токи: дырочный в области р и электронный в области п. Внутри переход­ ного слоя линии тока замыкаются посредством токов смещения, образуя замкнутые линии тока заряда или разряда переходного слоя. Таким образом, подобно конденсатору р-п переход заряжается или разряжается, вызывая изменение тока перехода. Величина

78

тока смещения, протекающего через переход, определяется изме­ нением заряда обедненного слоя Qn, т. е.

" с - 3 ~ dt •

Поскольку при изменении заряда Qn р-п переход ведет себя как конденсатор, обкладками которого являются границы перехода, то естественно определять ток разряда или заряда как

слоя. Это и есть зарядная емкость перехода. Ее иногда называют барьерной емкостью, тем самым подчеркивая, что ее действие свя­ зано с образованием барьера на границе областей р ж п.

Как известно, ширина переходного слоя зависит от напряжения сме­ щения на переходе Un. Эту зависимость можно представить в следующем виде:

где Wao — ширина переходного слоя в равновесном состоянии (при Un = 0); пс — коэффициент, зависящий от распределения объемного заряда в переход­

ном слое.

Если область, в которой происходит изменение концентрации примесей, занимает ничтожную часть переходного слоя, то такой переход называется ступенчатым или резким, и для него коэффициент пс = 1/2 [Л. 18]. Ступен­

чатый переход образуется в приборах, изготовленных сплавлением шш двой­ ной диффузией.

Если же область изменения концентрации прпмесей занимает большую часть переходного слоя, то такой переход называется линейным или плавным, и для него коэффициент п с = 1/3. Плавный переход получается в выращен­ ных и диффузионных электронно-дырочных переходах.

Подставив выражение (3-31) в соотношение (3-30), получим формулу для определения зарядной емкости перехода

79