Лавинный пробой это кратко

Обновлено: 04.07.2024

  • 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.

В результате каждого такого столкновения, с достаточной для ионизации энергией, возникает пара противоположно заряженных частиц, одна или обе из которых также начинают разгоняться электрическим полем и могут далее участвовать в ударной ионизации. При этом нарастание числа участвующих в ударной ионизации носителей заряда происходит лавинообразно, отсюда произошло название пробоя.

Связанные понятия

Автоэлектронная эмиссия — это испускание электронов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля без предварительного возбуждения этих электронов, то есть без дополнительных затрат энергии, что свойственно другим видам электронной эмиссии.

Эффект Поккельса (электрооптический эффект Поккельса) — явление возникновения двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля. Он отличается от эффекта Керра тем, что линеен по полю, в то время как эффект Керра квадратичен. Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии: в силу линейности при изменении направления поля эффект должен менять знак, что невозможно в центрально-симметричных телах. Эффект.

Термин Слой обеднения (Обедненный слой) в физике полупроводников характеризует пониженную, по сравнению с равновесной, концентрацию основных носителей на границе двух материалов. Примером могут служить гетерограницы двух полупроводников с разными ширинами запрещённых зон, или граница металл-полупроводник. На границе металл-диэлектрик можно также получить обедненный слой при приложении электрического поля, что является основным физическим принципом работы полевого транзистора.

Магнитомягкие материалы, магнитно-мягкие материалы — материалы, обладающие свойствами ферромагнетика или ферримагнетика, причём их коэрцитивная сила по индукции составляет не более 4 кА/м. Такие материалы также обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис.

Вырожденный полупроводник — это полупроводник, концентрация примесей в котором настолько велика, что собственные свойства практически не проявляются, а проявляются в основном свойства примеси. У вырожденного полупроводника уровень Ферми лежит внутри разрешённых зон или внутри запрещённой зоны на расстояниях не более kT от границ разрешённых зон. Вырожденные полупроводники получают путём сильного легирования собственных полупроводников.

Фосфид индия (InP) — химическое соединение индия и фосфора. Важный прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1.34 эВ при 300 K. Используется для создания сверхвысокочастотных транзисторов, диодов Ганна. Твердые растворы на основе InP используются для создания светодиодов, лазерных диодов, лавинных фотодиодов.

Высокочастотный разряд — вид газового разряда, возникающий в присутствии высокочастотного электромагнитного поля.

Электрическим элементом называют конструктивно-завершённое, изготовленное в промышленных условиях изделие, способное выполнять свои функции в составе электрических цепей.

Усили́тельный каска́д с о́бщей ба́зой (аббревиатура — ОБ) — одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей с применением биполярного транзистора.

Индукционный ток — электрический ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, пронизывающего этот контур. Величина и направление индукционного тока определяются законом электромагнитной индукции и правилом Ленца.

Электрон-фононное взаимодействие в физике — взаимодействие электронов с фононами (квантами колебаний кристаллической решётки).

Переходы металл-диэлектрик относятся к изменению транспортных свойств данного материала. Грубо говоря, материалы могут быть классифицированы как металлы, материалы с хорошей проводимостью, и как диэлектрики, где проводимость зарядов подавлена. В некоторых материалах, особенно полупроводниках, изменяя окружающие условия, например, давление или затворное напряжение можно изменить транспортные свойства от металлического до диэлектрического или наоборот.

В физике полупроводников под термином сверхрешётка принято понимать твердотельную структуру, в которой помимо периодического потенциала кристаллической решётки имеется дополнительный потенциал, период которого существенно превышает постоянную решётки.

Температу́рный дрейф — изменение электрических параметров электронного устройства, электронного прибора вызванное изменением внешней температуры среды. Иногда такое изменение называют температурным уходом параметра.

Арсенид алюминия-галлия (иные названия: алюминия галлия арсенид, алюминия-галлия арсенид) — тройное соединение мышьяка с трехвалентными алюминием и галлием, переменного состава, состав выражается химической формулой AlxGa1-xAs). Здесь параметр x принимает значения от 0 до 1 и показывает относительное количество атомов алюминия и галлия в соединении. При x=0 формула отвечает арсениду галлия (GaAs), при x=1 — арсениду алюминия (AlAs). Является широкозонным полупроводником, причём ширина запрещенной.

Метод компле́ксных амплитуд — метод расчета линейных электрических цепей, содержащих реактивные элементы, в установившемся режиме при гармонических входных сигналах, впервые применённый О. Хевисайдом.

Эне́ргия электромагни́тного по́ля — энергия, заключенная в электромагнитном поле. Сюда же относятся частные случаи чистого электрического и чистого магнитного поля.

Коэффициент поглощения — доля поглощения объектом взаимодействующего с ним другого объекта. Взаимодействующим объектом может быть электромагнитное излучение, энергия звуковых волн, ионизирующее или проникающее излучение, вещество (например, газообразный водород).

Многопроволочная пропорциональная камера (или просто проволочная камера) — детектор ионизирующего излучения (или детектор элементарных частиц), технология таких камер есть развитие концепции счетчика Гейгера и пропорционального счётчика. В отличие от пропорционального счётчика, в котором используется один анод для снятия сигнала, в многопроволочной пропорциональной камере в едином газовом объеме находятся сразу большое количество анодов, что позволяет получать не только информацию о величине ионизации.

Балласт — устройство, предназначенное для ограничения тока в электрической цепи. Существует большое количество реализаций балласта, различаясь по сложности реализации. В простейших случаях это могут быть последовательно соединённые с нагрузкой резисторы, например, для ограничения электрического тока через светодиод или неоновую лампу. В случае же более мощной нагрузки они не подходят ввиду больших тепловых потерь при использовании активного сопротивления, в связи с этим применяют реактивное сопротивление.

Интерферо́метр Ма́ха — Це́ндера — модификация интерферометра Жамена, двухлучевой интерферометр, применяемый для анализа плазмы и газовых потоков в дискретном исполнении (с помощью зеркал и линз) и в электрооптических модуляторах в объемном и планарном.

Ква́нтовый эффе́кт Хо́лла в графене или необы́чный ква́нтовый эффе́кт Хо́лла — эффект квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа или двумерного дырочного газа в сильных магнитных полях в графене. Этот эффект был предсказан теоретически и подтверждён экспериментально в 2005 году.

Арго́новый ла́зер — ионный газовый лазер, который способен излучать свет с различными длинами волн в видимой и ультрафиолетовой областях. Это непрерывный лазер, мощность которого может достигать нескольких сотен Ватт.

Пробой на убегающих электронах — электрический пробой, в теории дающий начало молнии. Это явление было впервые рассмотрено в 1992 году российским физиком Александром Гуревичем.

Каско́дный усили́тель — усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых для малого сигнала включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй — по схеме с общей базой (затвором, сеткой).

Холодный катод (автоэмиссионный или острийный катод) — эмиттер свободных электронов, работающий на основе явления автоэлектронной эмиссии, функциональный элемент многих приборов в микроэлектронике. Название исходит из того, что предварительно катод специально не нагревается (но всё же во время работы лампы такой катод может нагреваться до таких же температур, что и нагреваемый).

Обратные волны — это бегущие волны с противоположными фазовой и групповой скоростью, такой, что фаза движется к источнику излучения волны. В анизотропных структурах угол между этими скоростями (или с вектором Умова-Пойнтинга) тупой. Обратные волны обладают целым рядом замечательных, фундаментальных явлений и свойств. В частности, обратный эффект Доплера, отрицательное преломление и антизеркальное отражение, само- и сверхфокусировка при преломлении, а также и при отражении, узкополосный или ограниченный.

Перенапряжение — любое увеличение напряжённости электрического поля в какой-либо части установки или линии электропередачи, достигающее величины, опасной для состояния изоляции установки. Перенапряжение представляет также опасность для людей, находящихся во время перенапряжения в непосредственной близости от установки или линии.

Арсени́д и́ндия, — бинарное неорганическое соединение индия и мышьяка. Химическая формула соединения InAs.

Электростри́кция (ср. магнитострикция) — это свойство всех непроводников, или диэлектриков, приводящее к изменению их формы при приложении к ним электрического поля.

Циклотронная эффективная масса — эффективная масса электрона или дырки, возникающая при движении носителей в магнитном поле. В общем случае эта масса не совпадает с эффективной массой носителей, поскольку поверхность Ферми может быть анизотропной и эффективная масса принимает вид тензора. Циклотронную эффективную массу измеряют с помощью метода циклотронного резонанса или магнитотранспортных методах (эффект Шубникова — де Гааза). Знание циклотронной массы позволяет восстановить форму поверхности.

Электростатическая линза — устройство, предназначенное для формирования пучков электронов, их фокусировки и создания электронно-оптических изображений объектов. Более точное определение: линзой является любое аксиально-симметричное поле.

Враща́ющийся трансформа́тор — электрическая микромашина переменного тока (информационная электрическая машина), резольвер (англ. Resolver_(electrical)), предназначенная для преобразования угла поворота в электрическое напряжение, амплитуда которого пропорциональна или является функцией (чаще всего, синус или косинус) угла или самому углу.

Спи́новые во́лны — волны намагниченности в ферро-, антиферро- и ферримагнитных материалах с большими волновыми числами. Впервые были предсказаны Феликсом Блохом для ферромагнетиков в 1930 году. В отличие от магнитостатических волн, при изучении распространения спиновых волн является важным учёт не только магнитостатического, но и обменного взаимодействия. Согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма им соответствуют квазичастицы магноны.

Монохроматор — спектральный оптико-механический прибор, предназначенный для выделения монохроматического излучения. Принцип работы основан на дисперсии света.

Вре́мя затуха́ния люминесце́нции (также вре́мя высве́чивания) — параметр люминесценции, определяемый как время, в течение которого интенсивность люминесцентного свечения после снятия возбуждения люминесценции уменьшается в е раз.

Измери́тельный усили́тель, инструмента́льный усилитель, электрометри́ческий вычитатель — разновидность дифференциального усилителя с улучшенными параметрами, пригоден для использования в измерительном и тестирующем оборудовании.

Магнитное удержание, магнитная ловушка — один из способов долговременного сохранения плазмы в стабильном состоянии без её контакта с поверхностью ёмкости, в которой она содержится. Для магнитного захвата плазмы используется торообразная конфигурация магнитного поля в токамаках или конфигурация магнитного зеркала. Также, магнитное удержание плазмы используется в комбинированных магнитно-электростатических ловушках-поливеллах.

Ла́зер — квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона. Обычно состоит из трёх основных элементов.

Магнитные материалы, Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость.

Распределённый брэ́гговский отража́тель — это слоистая структура, в которой показатель преломления материала периодически изменяется в одном пространственном направлении (перпендикулярно слоям).

Магнитоакти́вная пла́зма — плазма, помещённая во внешнее магнитное поле. Поскольку плазма представляет собой ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц, наличие магнитного поля оказывает значительное влияние на все процессы, происходящие в плазме.

Норма́льные или собственные во́лны — гармонические волны, которые могут существовать в данной динамической системе с постоянными параметрами в отсутствие поглощения и рассеяния энергии. Нормальные волны являются обобщением понятия нормальных колебаний и могут применяться в том числе по отношению к неограниченному или частично незамкнутому пространству. Особую роль нормальные волны играют в теории волноводов и волновых каналов.

Иониза́ция по́лем (также полевая ионизация или автоионизация) — процесс ионизации атома, молекулы или иона во внешнем электрическом поле.

Колебательная скорость — величина, равная произведению амплитуды колебаний частиц среды, через которую проходит периодическая звуковая волна, на угловую частоту.

Станда́рт частоты́ — высокостабильный по частоте источник электромагнитных сигналов (радиодиапазона или оптических). Стандарты частоты используются в качестве вторичных или рабочих эталонов в метрологических измерениях, а также при производстве высокоточных средств измерений частоты и времени, в радионавигации, радиоастрономии и в других сферах.

У тебя есть переход. Он находится под обратным напряжением. Следовательно закрыт. Но ты повышаешь напряжение. Со временем напряжение повышается до такого уровня, что переход за счет неосновных носителей начинает все таки проводить ток. А так как напряжение большое, даже незначительный ток от неосновных носителей приводит к выделению на переходе большого количества энергии, которая почти мгновенно создает еще кучу дополнительных носителей. Это и есть лавина. В итоге элемент почти мгновенно выходит из строя (за исключением некоторых элементов, которые изначально рассчитаны на такой режим работы)

Матвев Александр Просветленный (24770) Основные носители да нужны. За счет них диод и проводит ток в прямом направлении. В обратную сторону основные носители не двигаются

Лавинный пробой - это когда электрон отрывается, под действием электрического поля, и летит на другую сторону, а по пути задевает другие электроны, которые также увлекаются электрическим полем, и также задевают другие. Вот и получилась лавина.

Виды пробоя

Рис. 2.5. Виды пробоя p-n-перехода: 1 – лавинный; 2 – туннельный; 3 – тепловой

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину p-n-перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на p-n-переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви 1 вольт-амперной характеристики (см. рис. 2.5).

Пробоем электронно-дырочного перехода называют резкое возрастание обратного тока через переход в области обратных напряжений, превышающих определенное критическое значение, называемое напряжением пробоя U проб . . В условиях пробоя происходит резкое уменьшение дифференциального обратного сопротивления перехода, когда незначительное увеличение напряжения вызывает существенный рост тока.

Пробой может привести к выходу p-n-перехода из строя, если возникнет чрезмерный разогрев перехода, в результате которого произойдут необратимые изменения его структуры. Если же мощность, рассеиваемая в переходе, поддерживается на допустимом уровне, переход в области пробоя сохраняет работоспособность.

Различают три вида (механизма) пробоя: туннельный (зенеровский), лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля, а последний – с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.

Туннельный пробой

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект – переход электронов сквозь потенциальный барьер без изменения энергии.

Туннельный эффект возможен при очень малой толщине потенциального барьера (порядка 10 нм) и достаточно высокой напряженности электрического поля p-n-перехода, когда энергетические зоны в области пространственного заряда искривляются настолько, что валентная зона p-области и зона проводимости n-области частично перекрывается по энергии на величину Δ E тун . , называемую интервалом туннелирования. Так как по обе стороны интервала туннелирования расположены разрешенные энергетические уровни, то электроны, энергия которых попадает в этот интервал, способны без изменения энергии перейти из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Энергетическая диаграмма p-n-перехода при туннельном пробое

Вероятность туннельного эффекта определяется коэффициентом прозрачности потенциального барьера:

D T ≈ exp ⁡ ( − 2 ℏ d 2 m * E Б ) ,

где d , E Б - толщина и высота потенциального барьера соответственно.

При туннельном пробое высота потенциального барьера определяется шириной запрещенной зоны E Б = Δ E g , а толщина d барьера представляет собой расстояние между разрешенными энергетическими зонами в интервале туннелирования. При линейном распределении потенциала толщина потенциального барьера может быть найдена по формуле d = δ Δ E g e | U | = Δ E g e E , где E = | U | δ - напряженность электрического поля.

В результате для оценки вероятности туннельного пробоя можно использовать выражение:

D T ≈ exp ⁡ ( − 2 2 m * Δ E g 3 2 ℏ e E ) .(2.77)

Из выражения (2.77) следует сильная зависимость туннельного пробоя от напряженности электрического поля. При напряженности 10 4 В/см и менее вероятность туннельного пробоя пренебрежимо мала, а при напряженности более 10 5 В/см становится весьма существенной. Например, при Δ E g = 1 эВ и изменении значения напряженности от 10 5 В/см до 1,1 ⋅ 10 5 В/см вероятность туннелирования увеличивается приблизительно в e 100 раз.

Начало туннельного пробоя оценивается условно по десятикратному превышению туннельного тока над обратным тепловым током I 0 . Соответствующая этому условию напряженность E тун . электрического поля составляет для германия E тун . ≈ 2 ⋅ 10 5 В/см, а для кремния E тун . ≈ 4 ⋅ 10 5 В/см.

Величину обратного напряжения на p-n-переходе, при котором возникает туннельный пробой, можно определить, используя полуэмпирические зависимости, которые имеют вид:

U тун . ≈ 100 ρ n + 50 ρ p ; (2.78)

U тун . ≈ 40 ρ n + 8 ρ p .(2.79)

Из (2.78), (2.79) видно, что напряжение туннельного пробоя зависит от типа проводимости базы: для базы n-типа оно больше, чем для базы p-типа.

При увеличении температуры ширина запрещенной зоны, то есть высота потенциального барьера, уменьшается, следовательно, напряжение туннельного пробоя снижается. Таким образом, температурный коэффициент напряжения туннельного пробоя отрицателен.

Лавинный пробой

Механизм лавинного пробоя заключается в лавинном размножении носителей заряда путем ударной ионизации атомов полупроводника под действием сильного электрического поля.

Если электрическое поле, вызванное обратным напряжением, достаточно велико, то электроны и дырки, движущиеся через р-n-переход, приобретают на длине свободного пробега энергию, достаточную для того, чтобы выбивать электроны из атомов кристаллической решетки. При этом происходят разрыв ковалентных связей и образуются новые электронно-дырочные пары, которые в свою очередь ускоряются электрическим полем и могут участвовать в ударной ионизации атомов.

Количественной характеристикой процесса лавинного размножения носителей заряда является коэффициент лавинного размножения М, который представляет собой отношение тока, образованного носителями заряда, выходящими из обедненного слоя перехода, к току, обусловленному носителями заряда того же знака, входящими в обеденный слой:

Коэффициент лавинного размножения удовлетворяет условию M ≥ 1 , причем значение M возрастает с увеличением обратного напряжения на p-n-переходе.

Для оценки коэффициента лавинного размножения используется полуэмпирическая формула:

M = 1 1 − ( | U | U л а в . ) n ,(2.80)

где U л а в . - напряжение лавинного пробоя; U – обратное напряжение p-n-перехода, не превышающее напряжения пробоя; m - параметр, который определяется экспериментально и зависит от материала полупроводника и типа проводимости базы p-n-перехода (см. табл.).

С учетом лавинного размножения носителей заряда ВАХ p-n-перехода в области лавинного пробоя определяется выражением:

I = M I 0 = I 0 1 − ( | U | U л а в . ) n .(2.81)

Анализ выражения (2.81) показывает, что при лавинном пробое заметный рост тока начинается при | U | ≈ 0,3 U лав . , а при | U | = U лав . M → ∞ , что соответствует неограниченному росту обратного тока перехода, который практически ограничивается сопротивлением внешних цепей.

Напряжение лавинного пробоя зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника: чем больше ширина запрещенной зоны, тем большую энергию должен приобрести носитель заряда на длине свободного пробега в электрическом поле p-n-перехода, чтобы вызвать ударную ионизацию, поэтому большей ширине запрещенной зоны соответствует большее напряжение лавинного пробоя.

Повышение температуры приводит к уменьшению длины свободного пробега носителей заряда, поэтому для приобретения носителями энергии, достаточной для ударной ионизации атомов, требуется большая напряженность электрического поля. Следовательно, при повышении температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается, то есть температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен.

Напряжение лавинного пробоя зависит от степени легирования (удельного сопротивления) базы p-n-перехода. Эта зависимость выражается полуэмпирической формулой:

U лав . = a ρ Б m ,(2.82)

где параметры a и m приведены в табл.

Из выражений (2.78), (2.79) и (2.82) следует, что отношение напряжений туннельного и лавинного механизмов пробоя находится в прямой зависимости от удельного сопротивления базы перехода: U тун . U лав . = ρ Б 1- m . При высоких значениях удельного сопротивления базы U тун . > U лав . и пробой носит лавинный характер; при низких значениях удельного сопротивления базы U тун . U лав . и пробой носит туннельный характер.

На практике механизм пробоя определяют по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя.

Тепловой пробой

Тепловой пробой обусловлен разогревом p-n-перехода вследствие выделения теплоты при протекании обратного тока, когда отсутствует достаточный теплоотвод, обеспечивающий устойчивость теплового режима.

При протекании обратного тока в переходе выделяется мощность P = I обр . U обр . , которая вызывает повышение температуры перехода и прилегающих к нему областей полупроводника на Δ T = R T P , где R T - тепловое сопротивление. Рост температуры приводит к увеличению теплового обратного тока, что ведет к дальнейшему увеличению рассеиваемой мощности и температуры. Если количество теплоты, выделяемой в переходе, превышает количество отводимой теплоты, то развивается процесс лавинообразного возрастания температуры и обратного тока.

Для оценки условий возникновения лавинообразного процесса подставим в соотношение (2.63) выражение для приращения температуры, обусловленного рассеянием мощности в p-n-переходе. В результате получим трансцендентное уравнение относительно тока I 0 :

I 0 = I 0 ( T 0 ) e α R T U обр . I 0 .(2.83)

В зависимости от значения обратного напряжения уравнение может иметь либо два простых корня, либо один кратный корень, а при достаточно больших обратных напряжениях вообще не имеет корней.

Характерной особенностью обратной ветви ВАХ p-n-перехода в режиме теплового пробоя, соответствующей уравнению (2.83), является наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода в режиме теплового пробоя

Напряжению теплового пробоя соответствует точка А обратной ветви ВАХ, в которой равны производные обеих частей уравнения (2.83) по току I 0 :

1 = α R T U T I 0 ( T 0 ) e α R T U T . I 0 = α R T U T I 0 ,

откуда следует, что

I 0 = I 0 ( T 0 ) e α R T U T I 0 = I 0 ( T 0 ) e

U T = 1 α R T I 0 = 1 α e R T I 0 ( T 0 ) ≈ 3 q e R T I 0 ( T 0 ) Δ E g .(2.84)

Из выражения (2.84) видно, что напряжение теплового пробоя существенно зависит от условий теплоотвода (величины теплового сопротивления R T ).

Напряжение теплового пробоя тем ниже, чем больше величина теплового обратного тока. Так как тепловой обратный ток повышается с ростом температуры, то при увеличении температуры напряжение теплового пробоя снижается.

В p-n-переходах с большими обратными токами, в частности германиевых, даже при комнатных температурах тепловой пробой может наступить раньше, чем лавинный или туннельный. В кремниевых p-n-переходах обратные токи значительно меньше и напряжение теплового пробоя получается настолько большим, что раньше наступает лавинный пробой. Однако при высоких температурах окружающей среды тепловой пробой наблюдается и в кремниевых p-n-переходах; пробой может начаться как лавинный, а затем при увеличении обратного тока перейти в тепловой.

Читайте также: