Лавинный диод

Не следует путать с Лавинно-пролётный диод.

Вольт-амперная характеристика лавинного диода. На рисунке в качестве примера показано, что при обратном напряжении на диоде 17,1 В начинается лавинный пробой, дальнейшее увеличение обратного напряжения вызывает быстрое нарастание тока. Для наглядности масштаб оси напряжений при прямом смещении диода увеличен.

Лави́нный дио́д — подкласс полупроводниковых диодов с p-n-переходомом. Представляет собой разновидность стабилитрона. Обычно изготавливаемый из кремния.

Принцип действия

Работа лавинного диода основана на обратимом лавинном пробое p-n перехода при обратном включении, — то есть при подаче на слой полупроводника с p-типом проводимости (анода) отрицательного относительно n-слоя (катода) напряжения. Или иными словами: в работе лавинного диода используется обратимый лавинный пробой p-n-переход, возникающих при приложение к такому диоду обратной разности потенциалов, превышающей максимальное обратное напряжение.

Лавинный пробой возникает когда напряжённость электрического поля в p-n-переходе достаточна для ударной ионизации, вследствие которой носители заряда, ускоренные электрическим полем в p-n-переходе, генерируют пары электрон-дырка. При увеличении поля количество порождённых пар нарастает, что вызывает нарастание тока, поэтому напряжение на лавинном диоде остаётся практически постоянным.

Особенности

Вообще в стабилитронах при обратном смещении перехода имеются два механизма обратимых пробоев — туннельный (зенеровский) и лавинный, — но их вклад зависит от удельного сопротивления базы диода:

• при низких удельных сопротивлениях пробой носит туннельный характер,
• а при высоких — лавинный.

Удельное же сопротивление базы диода в свою очередь зависит от материала и типа проводимости базы. Так, например, для германия с его электронным типом проводимости равенство лавинной и туннельной составляющей наблюдается при удельном сопротивлении 1 Ом⋅см). При этом напряжение пробоя зависит от степени легирования, — чем слабее легирование, тем выше напряжение начала пробоя (напражения стабилизации для стабилитронов).

Для лавинного пробоя характерно увеличение напряжения пробоя (стабилизации) при повышении температуры. Для туннельного пробоя наоборот — напряжение пробоя (стабилизации) снижается с ростом температуры. При напряжении начала пробоя не свыше 5,1 В преобладает туннельный пробой. Если же напряжение пробоя превышает 5.1 В, — напротив преобладает лавинный пробой. Посему у стабилитронов с напряжением стабилизации 5,1 В нет температурного дрейфа напряжения стабилизации, так как температурные дрейфы тоннельного и лавинного пробоя взаимно компенсируют друг друга.

Таким образом, любые стабилитроны с напряжением стабилизации более 5,1 В можно считать лавинными диодами.

При медленном увеличении обратного напряжения заметно превысить напряжение пробоя (стабилизации) невозможно. Но при высокой скорости нарастания (dU/dt > 10¹² В/с) оказывается возможным приложение к p⁺-n-n⁺-структуре напряжения в полтора-два раза превышающее напряжения стационарного пробоя, после чего её сопротивление резко падает за время порядка 100 пикосекунд или быстрее. Такое сверхбыстрое изменение состояния стабилитрона (лавинного диода в частности) от непроводящего к проводящему обеспечивается за счет формирования и распространения волны ударной ионизации. На основе данного эффекта разработан прибор, выполняемый чаще всего на кремнии, — диодный лавинный обостритель импульсов (англ. silicon avalanche sharpener, SAS diode).

Применение

Лавинные диоды в электронике применяются в качестве стабилитронов. Также лавинные диоды применяются для защиты электрических цепей от перенапряжений. Защитные лавинные диоды конструируют так, чтобы исключить повышенную концентрацию — шнурование — тока в одной или нескольких точках p-n перехода, приводящую к локальному перегреву полупроводниковой структуры и, таким образом, избежания необратимого разрушения диода. Диоды, предназначенные для защиты от перенапряжения, часто называют супрессорами.

Лавинный механизм обратного пробоя используется также в лавинных фотодиодах и диодных-шумогенераторах.

Литература

• Зи, С. М. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. — Т. 1. — 456 с. — 16 000 экз.
• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — 3-е изд.. — М.: Мир, 1986. — Т. 1. — 598 с. — 50 000 экз.