Виды пробоев эдп Лавинный пробой
Лавинный пробой возникает при меньших напряженностях электрического поля (Елав < Езен) и является следствием ударной ионизации атомов полупроводника. При определенных значениях напряженности электрического поля энергия неосновных носителей электричества, движущихся через p-n- переход, оказывается достаточной для того, чтобы при столкновении их с атомами кристаллической решетки происходил разрыв валентных связей этих атомов со своими электронами. В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые в свою очередь разгоняются полем и создают всевозрастающее число носителей электричества. Процесс ионизации повторяется, характеризуется лавинным размножением носителей и приводит к значительному возрастанию обратного тока через переход. Лавинный пробой происходит в приборах с широким ЭДП, при прохождении которого неосновные носители успевают приобрести достаточно высокую скорость. Пробой не приводит к разрушению полупроводниковой структуры, если обратный ток ограничен наличием внешней цепи.
Тепловой пробой
Тепловой пробой возникает при меньших напряженностях электрического поля (Етепл < Елав). Он обусловлен плохим отводом тепла от p-n-перехода, который может нагреться до такой температуры, при которой возможен разрыв валентных связей атомов кристаллической решетки со своими электронами за счет тепловой энергии. Это приводит к увеличению числа неосновных носителей, возрастанию обратного тока через переход и, как следствие, к еще большему нагреву и росту тока. Тепловой пробой возникает при значительных перегрузках. Однако при плохом отводе тепла он возникает даже при небольших токах и малых обратных напряжениях. Неоднородность структуры диода способствует возникновению теплового пробоя вследствие неравномерного распределения прямого тока по площади ЭДП.
Основные типы полупроводниковых диодов
Полупроводниковые диоды подразделяют на группы по многим признакам. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов, предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающиеся друг от друга по конструкции.
Классификация и условные графические обозначения диодов представлены на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Классификация и условные графические обозначения диодов
В зависимости от структуры различают плоскостные и точечные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n-перехода, равны толщине перехода или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше его толщины.
Устройство точечных диодов
Точечные диоды выполнены в виде тонкой пластинки из полупроводника n-типа. Пластинку покрывают тонким слоем металла и припаивают к металлическому основанию. В противоположную сторону пластинки упирается острие тонкой контактной пружины из вольфрамовой или стальной проволоки. Острый конец проволоки покрывают слоем индия или алюминия, который является акцепторной примесью и обеспечивает создание около острия области с p-типом проводимости.
Между этой областью и основной массой полупроводника образуется p-n-переход площадью 10-12 мкм 2 . Диоды монтируют в стеклянном, коваровом или металлическом герметичном корпусе (ковар – магнитный сплав железа (531%) с кобальтом (18 %) и никелем (29 %), обладающий низким температурным коэффициентом расширения, близким к температурному коэффициенту расширения стекла). На концах его установлены коваровые трубки с выводами. Для улучшения вентильных свойств после сборки диоды подвергают электрической формовке путем пропускания импульсов тока. При формовке происходит частичное расплавление и диффузия атомов индия или алюминия в основной полупроводник.
Из-за малой площади контакта прямой ток точечных диодов сравнительно невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная емкость, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот (СВЧ – диоды). В основном точечные диоды используют для выпрямления.
4. Пробой диодов
При достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения происходит резкое увеличение обратного тока через диод. Это явление называется пробоем диода. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный и тепловой пробои.
Лавинный пробой.Под действием сильного электрического поля, при котором носители заряда приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника, возникает лавины носителей заряда. Пробивное напряжение определяется концентрацией примеси в слаболегированной области, т.к. она определяет ширинуp-nперехода. С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, а значит, уменьшается и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в электрическом поле. Следовательно, повышение температуры приводит к увеличению пробивного напряжения при лавинном пробое (рис.5). При возникновении лавинного пробоя возникают шумы. Вначале этот процесс неустойчив: он возникает, срывается, возникает снова. С увеличением тока процесс ударной ионизации становится устойчивым, и шумы исчезают. Это характерная особенность лавинного пробоя.
Рис.5. Зависимость Uпробот температуры при лавинном пробое.
Туннельный пробой.Если ширина потенциального барьера δ становится достаточно малой, то возможно туннелирование электронов сквозь запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии. Внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода, при этом пробивное напряжение обратно пропорционально концентрации примесей. При одной и той же ширине запрещенной зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряженностью электрического поля, т.е. наклоном энергетических уровней и зон. Значение критической напряженности электрического поля составляет примерно 8·10 5 В/м дляSiи 3·10 5 В/м дляGe. С повышением температуры ширина запрещенной зоны большинства полупроводников убывает. Следовательно, при этом уменьшается и толщина барьера при той же напряженности поля, что приводит к увеличению вероятности туннелирования сквозь потенциальный барьер, поэтому пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с увеличением температуры (рис. 6). Так как при туннельном пробое необходима малая толщинаp-nперехода, он наблюдается в диодах, изготовленных из полупроводников с большой концентрацией примесей.
Рис.6. Зависимость Uпробот температуры при туннельном пробое.
Тепловой пробой.Тепловой пробой в диодах происходит с образованием так называемого «шнура» или канала высокой проводимости, температура в котором превышает среднюю температуру остальной частиp-nперехода. Образование шнура обычно вызвано дефектами вp-nпереходе. Если плотность обратного тока в каком-нибудь местеp-nперехода оказалась больше плотности тока в остальной части перехода, то температура этого места будет еще выше из-за выделяющегося тепла Джоуля-Ленца. Локальное увеличение температуры приводит к дальнейшему росту плотности тока, что вызывает локальное повышение температуры и т.д. Тепловой пробой может возникнуть и при малых обратных токах и напряжениях.
Экспериментальная установка.
Диоды помещены в иммерсионный термостат, который позволяет изменять и поддерживать определенную температуру. При достижении заданной температуры снимается вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода. На модуле установлены 4 диода, два из которых включены в прямом направлении (диоды из германия и кремния), а два других – в обратном.
Экспериментальная установка приведена на рис. 7.
Рис.7. Экспериментальная установка.
Электрическая схема измерения вольт-амперных характеристик диодов приведена на рис.8.
Рис.8. Электрическая схема для исследования ВАХ характеристик диодов.
Здесь E– источник тока,R- -сопротивление,A– амперметр,V– вольтметр. В качестве амперметра и вольтметра используются мультиметры, с автоматическим отключением питания. Если это произошло, то необходимо просто заново включить мультиметр.
Порядок выполнения работы.
1. Поместить измерительный модуль в водяную ванну.
2. Включить источник тока с помощью переключателя на задней панели прибора. Включить мультиметры, проверить правильность подключения соединительных проводов и выбранных пределов измерений.
Работа выполняется совместно со студентами младших курсов, поэтому при достижении заданной температуры сначала они производят свои измерения, а только потом производятся измерения ВАХ.
Для каждой из температур от комнатной до 70 ºС произвести следующие измерения.
2. Плавно изменяя напряжение на источнике питания от 0 до 800 мВ с шагом приблизительно 100 мВ снять зависимость тока через диоды D1 иD2 от напряжения. Данные занести в табл.1. Точного значения напряжения добиваться не надо, достаточно приближенных значений.
4. Пробой диодов
При достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения происходит резкое увеличение обратного тока через диод. Это явление называется пробоем диода. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный и тепловой пробои.
Лавинный пробой.Под действием сильного электрического поля, при котором носители заряда приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника, возникает лавины носителей заряда. Пробивное напряжение определяется концентрацией примеси в слаболегированной области, т.к. она определяет ширинуp-nперехода. С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, а значит, уменьшается и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в электрическом поле. Следовательно, повышение температуры приводит к увеличению пробивного напряжения при лавинном пробое (рис.5). При возникновении лавинного пробоя возникают шумы. Вначале этот процесс неустойчив: он возникает, срывается, возникает снова. С увеличением тока процесс ударной ионизации становится устойчивым, и шумы исчезают. Это характерная особенность лавинного пробоя.
Рис.5. Зависимость Uпробот температуры при лавинном пробое.
Туннельный пробой.Если ширина потенциального барьера δ становится достаточно малой, то возможно туннелирование электронов сквозь запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии. Внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода, при этом пробивное напряжение обратно пропорционально концентрации примесей. При одной и той же ширине запрещенной зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряженностью электрического поля, т.е. наклоном энергетических уровней и зон. Значение критической напряженности электрического поля составляет примерно 8·10 5 В/м дляSiи 3·10 5 В/м дляGe. С повышением температуры ширина запрещенной зоны большинства полупроводников убывает. Следовательно, при этом уменьшается и толщина барьера при той же напряженности поля, что приводит к увеличению вероятности туннелирования сквозь потенциальный барьер, поэтому пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с увеличением температуры (рис. 6). Так как при туннельном пробое необходима малая толщинаp-nперехода, он наблюдается в диодах, изготовленных из полупроводников с большой концентрацией примесей.
Рис.6. Зависимость Uпробот температуры при туннельном пробое.
Тепловой пробой.Тепловой пробой в диодах происходит с образованием так называемого «шнура» или канала высокой проводимости, температура в котором превышает среднюю температуру остальной частиp-nперехода. Образование шнура обычно вызвано дефектами вp-nпереходе. Если плотность обратного тока в каком-нибудь местеp-nперехода оказалась больше плотности тока в остальной части перехода, то температура этого места будет еще выше из-за выделяющегося тепла Джоуля-Ленца. Локальное увеличение температуры приводит к дальнейшему росту плотности тока, что вызывает локальное повышение температуры и т.д. Тепловой пробой может возникнуть и при малых обратных токах и напряжениях.
Экспериментальная установка.
Диоды помещены в иммерсионный термостат, который позволяет изменять и поддерживать определенную температуру. При достижении заданной температуры снимается вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода. На модуле установлены 4 диода, два из которых включены в прямом направлении (диоды из германия и кремния), а два других – в обратном.
Экспериментальная установка приведена на рис. 7.
Рис.7. Экспериментальная установка.
Электрическая схема измерения вольт-амперных характеристик диодов приведена на рис.8.
Рис.8. Электрическая схема для исследования ВАХ характеристик диодов.
Здесь E– источник тока,R- -сопротивление,A– амперметр,V– вольтметр. В качестве амперметра и вольтметра используются мультиметры, с автоматическим отключением питания. Если это произошло, то необходимо просто заново включить мультиметр.
Порядок выполнения работы.
1. Поместить измерительный модуль в водяную ванну.
2. Включить источник тока с помощью переключателя на задней панели прибора. Включить мультиметры, проверить правильность подключения соединительных проводов и выбранных пределов измерений.
Работа выполняется совместно со студентами младших курсов, поэтому при достижении заданной температуры сначала они производят свои измерения, а только потом производятся измерения ВАХ.
Для каждой из температур от комнатной до 70 ºС произвести следующие измерения.
2. Плавно изменяя напряжение на источнике питания от 0 до 800 мВ с шагом приблизительно 100 мВ снять зависимость тока через диоды D1 иD2 от напряжения. Данные занести в табл.1. Точного значения напряжения добиваться не надо, достаточно приближенных значений.
Пробой диода. Виды пробоя и их обратимость
Пробоем называется резкое увеличение обратного тока при достижении обратным напряжением определенного уровня, выше которого обратный ток возрастает с большим градиентом в узком диапазоне обратного напряжения.
Пробои переходов могут быть двух видов:
1) тепловой пробой;
2) электрический пробой.
В свою очередь электрический пробой делится на два типа: лавинный и туннельный.
Тепловой пробой является необратимым. Возникает он при нарушении баланса выделяемой в переходе мощности и мощности, рассеиваемой в окружающую среду.
Лавинным пробоем называют явление резкого повышения обратного тока в узком диапазоне прироста обратного напряжения, которое вызвано лавинообразным размножением носителей заряда в результате ударной ионизации атомов в области перехода.
Туннельным пробоем называется явление перехода электронов через энергетический барьер, высота которого больше энергии электрона. Туннельный пробой возможен в диодах, у которых в электронно-дырочных переходах:
1) толщина перехода меньше диффузионной длины свободного пробега электрона;
2) напряженность результирующего электрического поля не менее 108В/м;
3) на том же самом энергетическом подуровне, котором соответствует энергетическому состоянию электрона в соседней области, куда должен перейти электрон существует вакантное место, т.е. дырка.
Лавинный и туннельный пробои, в отличие от теплового пробоя, являются обратимыми. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.
2. Назначение резистора в цепи коллектора. Нарисуйте изменения напряжения на выходе усилителя при изменении Rк от 100 Ом до 10 Мом.
Служит для ограничения коллекторного тока и для обеспечения необходимого коэффициента усиления.
Задание №23
1. Пробой диода. Виды пробоя и их обратимость.
пробоем диода- явление когда обратное напряжение диода достигает определенного критического значения, ток диода начинает резко возрастать. Заметим, что пробой сопровождается выходом диода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода, и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в диоде, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя.
Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависти от типа диода и может иметь величину от единиц до сотен вольт.
Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода: электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. При электрическом пробое число носителей заряда в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки, при тепловом пробое – за счет термической ионизации атомов.
Поделиться с друзьями:
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
studopedia.su — Студопедия (2013 — 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление
Генерация страницы за: 0.007 сек.