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

Лавинный пробой в p-n-переходе при обратном смещении. Слева — схема развития пробоя, справа — вольт-амперные характеристики обратносмещённого перехода.

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 $U_b$ (_b — от Шаблон:Lang-en, пробой) может составлять от единиц до тысяч вольт, оно нарастает при понижении концентрации акцепторов $N_A$ или доноров $N_D$ (обычно более значима концентрация в менее легированной области). Характерные величины напряжённости поля $F$ в зоне лавинного пробоя составляют 10⁸ В/м и выше. Так как при повышении температуры $T$ 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 $I$ с напряжением $U$; приложить к переходу постоянное смещение более $U_b$ 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

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 $x=0\dots L$ 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 $L$ — 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 ${\alpha }_n={\alpha }_p=\alpha$ оно имеет вид

$\underset{0}{\overset{L}{\int }}\alpha (F(x))=1$,

где $F(x)$ — координатная зависимость поля, рассчитываемая для заданного напряжения $U$ на клеммах. При неодинаковых коэффициентах должно быть выполнено одно из соотношений

$\underset{0}{\overset{L}{\int }}{\alpha }_p\exp [-\underset{0}{\overset{x}{\int }}({\alpha }_p-{\alpha }_n)d{x}^{\prime }]dx=1,\underset{0}{\overset{L}{\int }}{\alpha }_n\exp [-\underset{x}{\overset{L}{\int }}({\alpha }_n-{\alpha }_p)d{x}^{\prime }]dx=1$,

где все коэффициенты предполагаются зависящими от $F$ в соответствующей точке.

Имеются также эмпирические выражения для оценки напряжения пробоя $U_b$ по заданной концентрации примеси $N$ в более слабо легированной области перехода, например

$U_b\approx 60\cdot {\left(\frac{E_g}{1.1}\right)}^{3/2}{\left(\frac{N}{10^{16}}\right)}^{-3/4}$.

Здесь $E_g$ — ширина запрещённой зоны материала (в эВ), $N$ 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

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

• Эффект Зенера (туннельный пробой)

Источники

• 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.