Туннельный пробой

В ОПЗ р-n-перехода напряженность поля может стать настолько большой, что развиваемаяим сила будет достаточна для высвобождения электронаиз ковалентной межатомной связи. С точки зрения зонных диаграмм при таком механизме пробоя электрон совершает переходиз валентной зоны в зону проводимости без взаимодействия с какими-либо другими частицами. Этот вид пробоя включает в себя туннелирование электронов через энергетические барьеры, т.к. с увеличением примесной концентрации ширина обедненной области уменьшается. При больших примесных концентрациях в полупроводнике ширина ОПЗ, соответствующая некоторому обратному напряжению, уменьшается и наклон энергетических зон в обедненной области становится все более крутым. Вследствие волновой природы электрона существует некоторая конечная вероятность того, что электрон из валентной зоны полупроводника р-типа, приблизившийся к запрещенной зоне, сможет туннелировать через нее и с той же самой энергией появится в зоне проводимости полупроводника n-типа.

По аналогии с пробивным напряжением лавинного пробоя для величины напряжения туннельного пробоя можно записать:

.

(1.78)

В отличие от лавинного пробоя в случае туннельного пробоя концентрация в обеих областях р-n-перехода достаточно велика и нельзя пренебречь ни одной из них; кроме того, нужно учитывать и величину j_k, т.к.

U_np.тyн.< U_пр.лав..

Туннельный ток равен произведению площади перехода, заряда электрона, количества электронов в валентной зоне р-области перехода, ежесекундно поступающих к барьеру иимеющих по ту сторону барьера валентные состояния, и вероятности туннелирования каждого такого электрона через этот барьер. Через переход площадью 10^–5 см² может протекать ток 10 мА. Концентрация электронов в валентной зоне с энергиями, которым соответствуют незаполненные разрешенные состояния в зоне проводимости по другую сторону барьера, соизмерима с концентрацией атомов в веществе ~ 10²² см^–3. Предположим, что электроны движутся с тепловой скоростью около 10⁷ м/с, так что ежесекундно в барьер "ударяется" 10²⁹ электрон/см². Вероятность туннелирования, соответствующая рассматриваемому току, равна примерно 10^–7. Приняв это значение и зная, что Eg » 1 эВ, находим, что соответствующая длина туннелирования и поле должны составлять примерно 4 нм и 10⁶ В/см. Таким образом, для режима туннельного пробоя барьер на пути электронов должен иметь ширину менее 4нм,а Е_тун³ I0⁶ В/см.

Проведем сравнительный анализ характеристик лавинного и туннельного пробоев.

Приборы с туннельным пробоем обычно имеют более низкие пробивные напряжения,чем приборы с лавинным пробоем. В кремнии чистый туннельный пробой обычно имеет место для диодов с U_np< 5 В. При пробивных напряжениях от 5 до 6 В в приборах могут одновременно действовать как лавинный, так и туннельныймеханизмы пробоя. При напряжениях свыше 6 В превалирует лавинныймеханизм пробоя.

Таккак туннельныймеханизм пробоя действует в приборах, имеющих малую ширину (до 4нм) барьера, а напряженность поля E = U/x_d, то напряженность полей при туннельноммеханизмепробоя выше, чем при лавинном (рис.1.12).

Следует остановиться на таком параметре пробоя, как температурный коэффициент напряжения пробоя TKU_пр. Этот параметр, во-первых, является одним из основных для стабилитронов (приборов, использующих один из механизмов пробоя); во-вторых, знак TKU_пр позволяет определить для каждого случая конкретный механизм пробоя. Относительно слабые температурные зависимости пробивных напряжений рассмотренных механизмов имеют противоположные знаки.

Рисунок 1.12– Зависимость критических электрических полей лавинного и туннельного пробоев в кремнии от концентрации примеси

При лавинном пробое с ростом температуры пробивное напряжение переходов увеличивается, так как уменьшается длина свободного пробега электронов с высокой энергией. Плотность столкновений с последующей ионизацией пропорциональна концентрации n* возбужденных электронов, обладающих энергией достаточной для генерации электронно-дырочных пар, а для определения n* используется выражение

(1.79)

где L – средняя длина свободного пробега.

Длину d можно определить:

e

(1.80)

где Е₁ — минимальная энергия, необходимая для соударения с ионизацией; e — среднее электрическое поле, ускоряющее электрон.

Таким образом, TKU_пр при лавинном механизме положительный.

При туннельном пробое влияние температуры на напряжение U_пp. прямо противоположно. С повышением температуры увеличивается энергия носителей заряда, растет и вероятность туннельного перехода. Кроме того, при увеличении температуры уменьшается ширина запрещенной зоны Е_g, а следовательно, уменьшается ширина барьера d (рис.1.13). Поэтому увеличивается вероятность туннелирования, величина напряжения пробоя уменьшается, а значит, ТКU_пр при туннельноммеханизме отрицательный.

Рисунок 1.13– Схематическое представление влияния температуры
на механизм туннельного пробоя:

а – зонная диаграмма обратносмещенного перехода с высокими

примесными концентрациями с обеих сторон;

б – схематическое представление уменьшения ширины барьера d

приувеличении температуры от Т₁ до Т₂.