Лавинный пробой
Лави́нный пробо́й — электрический пробой в диэлектриках и полупроводниках, обусловленный тем, что, разгоняясь в сильном электрическом поле на расстоянии свободного пробега, носители заряда могут приобретать кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации атомов или молекул материала при соударениях с ними. На данном эффекте основано функционирование ряда твердотельных приборов, в частности, лавинных фотодиодов.
Физика эффекта
[править | править код]
В большинстве случаев носителями заряда в диэлектриках и полупроводниках выступают противоположно заряженные электроны и дырки (реже — электроны и ионы, или только один тип частиц, скажем, электроны). Если в материале создано электрическое поле, при движении в нём частицы увеличивают свою энергию и могут генерировать дополнительные электронно-дырочные пары посредством ударной ионизации атомов вещества. Вторичные электроны и дырки также начинают разгоняться электрическим полем и участвовать в ударной ионизации. Нарастание числа задействованных носителей заряда происходит лавинообразно, отсюда название пробоя.
Объектом, в котором рассматривается пробой, часто является полупроводниковый p-n-переход при обратном напряжении (обр., «плюс» на n-области). По величине требующееся напряжение (b — от англ. breakdown, пробой) может составлять от единиц до тысяч вольт, оно нарастает при понижении концентрации акцепторов или доноров (обычно более значима концентрация в менее легированной области). Характерные величины напряжённости поля в зоне лавинного пробоя составляют 108 В/м и выше. Так как при повышении температуры снижается длина свободного пробега, начало лавинного пробоя при нагревании смещается в сторону бо́льших напряжений. На вольт-амперной характеристике структуры пробой проявляется быстрым, почти вертикальным нарастанием тока с напряжением ; приложить к переходу постоянное смещение более оказывается невозможно. При изготовлении силовых приборов, в которых реализуется лавинный пробой, предпринимаются меры для их защиты от паразитного поверхностного пробоя при сравнительно низких напряжениях.
Условия возникновения
[править | править код]Если ударная генерация новых электронно-дырочных пар осуществляется и электронами, и дырками, то при определённых условиях (которые и считаются условиями пробоя) фактор умножения носителей на некотором участке математически может уйти в бесконечность. При этом ток через него тоже «пытается» стать бесконечным, а на практике его ограничивает сопротивление прилегающих областей, заштрихованных на рисунке. Размер — это ширина области объёмного заряда p-n-перехода, то есть всей незаштрихованной области.
Условия пробоя по-разному записываются в зависимости от геометрии структуры. Для одномерного p-n-перехода при одинаковых коэффициентах ударной ионизации электронами и дырками оно имеет вид
- ,
где — координатная зависимость поля, рассчитываемая для заданного напряжения на клеммах. При неодинаковых коэффициентах должно быть выполнено одно из соотношений
- ,
где все коэффициенты предполагаются зависящими от в соответствующей точке.
Имеются также эмпирические выражения для оценки напряжения пробоя по заданной концентрации примеси в более слабо легированной области перехода, например
- .
Здесь — ширина запрещённой зоны материала (в эВ), подставляется в см-3, а результат будет в вольтах.
Если же генерация осуществляется только одним типом носителей (электронами), то пробой реализоваться не может, несмотря на лавинное и, возможно, резкое нарастание числа частиц и тока (похожее на пробой настолько, что может не быть смысла разграничивать такую ситуацию и буквальный пробой).
Применение эффекта
[править | править код]На явлении лавинного пробоя в полупроводниках основана работа стабилитронов, ЛИЗМОП-структур, лавинно-пролётных диодов, лавинных фотодиодов и др. В этом классе приборов лавинный пробой обратим, если не превышен предельно допустимый ток (лимитирование осуществимо схемотехническими средствами); иначе может произойти разрушение полупроводниковой структуры.
См. также
[править | править код]- Эффект Зенера (туннельный пробой)
Источники
[править | править код]- Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. — кн. 1 — 456 с. (см. стр. 108, 111).
- Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — Наука, 1992. — 536 с.