Пробой p-n-перехода
Стабилитроны
Стабилитроны и параметрические стабилизаторы напряжений
План лекции:
5.1. Пробой p-n-перехода
5.3. Расчёт параметрического стабилизатора на стабилитроне
Стабилитроном называют полупроводниковый диод, на обратной ветви которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения. Такая зависимость, как правило, обусловлена электрическим пробоем p-n-перехода.
Пробоем называют резкое увеличение обратного тока p-n-перехода при некотором обратном напряжении, превышающем напряжение пробоя 
. Различают электрический и тепловой пробои. Существуют три основных вида электрического пробоя: лавинный, туннельный и поверхностный.
Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией нейтральных атомов кристаллической решётки полупроводника в обеднённом слое под действием сильного электрического поля. При обратном напряжении ток в p-n-переходе создаётся дрейфовым движением неосновных носителей заряда, приходящих из нейтральных p и n-областей. В обеднённом слое эти носители ускоряются и при напряжении, превышающем некоторое критическое значение, приобретают на длине свободного пробега кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом полупроводника произвести его ионизацию, т.е. создать новую пару носителей заряда – электрон и дырку. Вновь образовавшиеся носители будут ускоряться полем и могут также вызвать ионизацию. При этом может начинаться и начинается лавинообразный процесс роста количества носителей заряда. Соответственно нарастает обратный ток p-n-перехода.
Для оценки этого процесса введён коэффициент лавинного умножения 
, показывающий, во сколько раз обратный ток превышает исходную величину обратного теплового тока:
Коэффициент 
находят из эмпирической формулы
где 
параметр, зависящий от материала полупроводника и типа электропроводности базовой области, причём 
, 
напряжение лавинного пробоя, 
причём 
− обратное приложенное напряжение.
Для кремния n-типа и германия p-типа 
, а для кремния p-типа и германия n-типа 
. Зависимости обратного тока от обратного напряжения для двух значений 
приведены на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Обратная ветвь вольтамперной характеристики p-n-перехода при лавинном пробое
Характерной особенностью лавинного пробоя является то, что с увеличением температуры напряжение пробоя 
возрастает. Следовательно, напряжение лавинного пробоя имеет положительный температурный коэффициент. Рост при увеличении температуры происходит потому, что уменьшается длина свободного пробега носителей и для сообщения носителям заряда необходимой энергии требуется бóльшая напряжённость электрического поля.
Туннельный пробой представляет собой переход электронов сквозь потенциальный (энергетический) барьер между переходом 
-
без изменения энергии. Такой переход называют туннельным эффектом.
Туннельный пробой возникает при очень высокой (
В/см) напряжённости электрического поля в обеднённом слое. Поэтому туннельный эффект наблюдается в узких переходах при толщине барьера порядка 
мкм и с очень высокой концентрацией примеси (
) в переходах -. Напряжение туннельного пробоя составляет 0 ÷ 5 В.
В отличие от лавинного пробоя повышение температуры приводит к понижению напряжения туннельного пробоя из-за уменьшения ширины запрещённой зоны 
, т.е. из-за уменьшения высоты барьера. Следовательно, напряжение туннельного пробоя имеет отрицательный температурный коэффициент.
Установлено, что при 
, т.е. при невысоких концентрациях примеси, напряжение лавинного пробоя ниже, чем напряжение туннельного пробоя. При этом 
(> 6,6 В для Si), а при высоких концентрациях примеси (
) − выше, т.е. 
. При промежуточных концентрациях примеси, когда 
, пробой может объясняться обоими механизмами. Механизм пробоя в этом случае можно определить по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя.
Крутизна вольтамперной характеристики при лавинном пробое больше, чем при туннельном, и поэтому дифференциальное сопротивление стабилитрона в зоне пробоя при лавинном пробое меньше, чем при туннельном. В силу этого эффект стабилизации при лавинном пробое более сильный, чем при туннельном.
Формула для расчёта напряжения пробоя при туннельном пробое в литературе отсутствует.
Поверхностный пробой объясняется резким увеличением тока утечки. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхностных зарядов между выходящими на поверхность участками p-n-перехода могут образовываться проводящие плёнки и каналы, по которым будет протекать ток утечки 
. Поверхностный пробой пропорционален величине обратного напряжения и в некоторых случаях может превысить тепловой ток, что эквивалентно пробою. Для уменьшения тока утечки принимают специальные конструкторские и технологические меры. Поэтому поверхностный пробой является крайне редким явлением.
Тепловой пробой обусловлен выделяющейся мощностью из-за протекания обратного тока под действием обратного напряжения
что вызывает разогрев p-n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. Повышение температуры приводит к увеличению обратного тока и этот процесс может разрушить стабилитрон.
Выделяющаяся мощность за счёт теплопроводности отводится от зоны нагрева и рассеивается в окружающей среде. Кроме того, часть выделяющейся мощности отводится путём непосредственного излучения, однако этот механизм в данном случае является второстепенным.
Отводимая за счёт теплопроводности мощность пропорциональна разности температур перехода 
и окружающей среды 
и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению 
участка конструкции p-n-переход − окружающая среда
Если скорость отвода мощности больше, чем скорость выделяющейся мощности, то может установиться тепловое равновесие, когда выполняется условие
которое определяет установившуюся (стационарную) температуру 
p-n-перехода.
Тепловой пробой не может быть использован в качестве механизма стабилизации. Он только ограничивает рабочую величину обратного тока лавинного или туннельного пробоя.
В p-n-переходах с большими обратными токами, например, в германиевых, тепловой пробой уже при комнатных температурах может наступать раньше, чем лавинный пробой. В кремниевых p-n-переходах обратные токи малы, так что раньше наступает лавинный пробой, диод может работать как стабилитрон. При высоких температурах тепловой пробой в кремниевых p-n-переходах может наступать раньше лавинного.