Учет дополнительных факторов, влияющих на вольт-амперную характеристику диода. Пробой.

 

(Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним электронным переходом и двумя выводами.)

В проведенном анализе, позволяющем главным образом объяснить принцип действия полупроводникового диода, не учитывались некоторые факторы, отражающиеся на его реальной вольт-амперной характеристике.

На прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода оказывает влияние объемное сопротивление слоев р-n-структуры (особенно при больших токах), увеличивающее падение напряжения ΔUа на диоде. В кремниевых диодах это влияние более значительно, чем в германиевых, так как из-за меньшей подвижности носителей заряда удельное сопротивление кремния выше. С учетом падения напряжения в слоях в кремниевых диодах при протекании прямого тока ΔUа = 0,8 - 1,2В, а в германиевых 0,3- 0,6 В.

На обратную ветвь вольт-амперной характеристики диода оказывают влияние ток утечки через поверхность p-n-перехода и генерация носителей заряда, которая является причиной возможного пробоя p-n-перехода. Оба фактора приводят к тому, что обратная ветвь вольтамперной характеристики диода принимает вид, показанный на рис. 1.12.

Ток утечки связан линейной зависимостью с напряжением Uь. Он создается различными загрязнениями на внешней поверхности р-n-структуры, что повышает поверхностную электрическую проводимость p-n-перехода и обратный ток через диод. Эта составляющая обратного тока обусловливает появление наклонного участка 1-2 на характеристике диода (рис.1.12).

Влияние генерации носителей заряда в p-n-переходе обычно сказывается при повышенных обратных напряжениях. Оно проявляется вначале в нарушении линейной зависимости изменения обратного тока от напряжения Ub (участок 2-3), а затем в резком возрастании обратного тока (участок 3-5), характеризующем пробой р-. п-перехода.

В зависимости от причин, вызывающих появление дополнительных носителей заряда в р-n-переходе, различают электрический пробой и тепловой пробой. Электрический пробой, в свою очередь, может быть лавинным или туннельным рассмотрим эти виды пробоя.

Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей в р-n-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Он происходит следующим образом. Неосновные носители заряда, поступающие в p-n-переход при действии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответствующей напряженности электрического поля носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда - электроны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер.

Лавинный пробой возникает в широких p-n-переходах, где при движении под действием электрического поля носители заряда, встречаясь с большим количеством атомов кристалла, в промежутке между столкновениями приобретают достаточную энергию для их ионизации.

В основе туннельного пробоя лежит непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующися при этом дополнительные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный ток через р-n-переход. Туннельный пробой развивается в узких р-n-переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля.

Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением почти вертикального участка 3 – 4 на_обратной ветви вольт-амперной характеристики (рис1.12). Причина этого заключается в том, что небольшое повышение напряжения на р-n-переходе вызывает более интенсивную генерацию в нем носителей заряда при лавинном или туннельном пробое. Оба эти вида пробоя являются обратимыми процессами. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.

Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в р-n- переходе при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно и ввиду неоднородностй р-n-перехода обычно носит локальный характер. Лавинообразное развитие теплового пробоя обусловливается тем, что увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка р-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выходом прибора из строя. Тепловой пробой может произойти в результате перегрева отдельного участка р-n-перехода вследствие протекания большого обратного тока при лавинном или туннельном пробое (участок 4 - 5 на рис. 1.12). Тепловой пробой здесь является следствием недопустимого повышения обратного напряжения (перенапряжения). Велика вероятность наступления теплового пробоя при общем перегреве р-n-перехода ввиду ухудшения, например, условий теплоотвода. В этом случае он может произойти при меньшем напряжении минуя стадии лавинного или туннельного пробоя.

Возможность теплового пробоя p-n-перехода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения Uобр.доп и температурного диапазона работы. Величина допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,5-0,8) Uпр.