Ток утечки. Поверхностные утечки представляют собой нередко главный фактор, влияющий на обратную характеристику. Ток утечки не всегда является второстепенным результато.м загрязнения поверхности. Он обусловлен в первую очередь поверхностными энергетическими уровнями, которые способствуют активной генерации - рекомбинации (см. с. 46), а также молекулярными или ионными пленками, шунтирующими переход (это могут быть молекулы окислов основного материала, молекулы газов, воды, ионы водорода и т. п.). При повышении напряжения ток утечки растет сначала почти линейно, а .затем более сильно (рис. 2-26). Почти

линейный начальный участок характеристики /у (U) можно охарактеризовать эквивалентным сопротивлением утечки Ry.

Рис. 2-26. Обратные характеристики диодов - германиевого (а) и кремниевого (б) - в отсутствие поверхностного канала.

Рис. 2-27. Обратная характеристика реального диода, ее идеализация (а) и эквивалентная схема диода при обратном включении (б).

Характерная черта тока утечки заключается в его временной нестабильности, которую часто называют ползучестью . Ползучесть проявляется в изменении обратного тока в течение некоторого времени после скачкообразного изменения обратного напряжения, в частности после его включения [32]. Есть основания считать, что ползучесть связана главным образом с адсорбированной пленкой водяных паров. Времена релаксации при нарастании или спадании обратного тока оказываются различными и обычно лежат в пределах от нескольких секунд до нескольких часов. В течение указанного времени обратный ток заметно меняется (изменение может выражаться в десятках процентов), причем величина ползучести оказывается индивидуальной у разных диодов одного и того же типа.

Ток утечки зависит от температуры сравнительно слабо. Поэтому по сравнению с токами /о и Iq ток /у можно считать постоянным. Если при комнатной температуре /у /о + /о. то ролью тока утечки вообще можно пренебречь. Однако чаще, особенно у кремниевых диодов, имеет место соотношение /у > /о + /о-

Эквивалентная схема диода при обратном смещении. Из предыдущих разделов видно, что полный обратный ток диода представляет собой сложную функцию напряжения и возрастает с его ростом (рис. 2-27, а). Для расчетов удобно представить полупроводникоч

БЫЙ дкод, работающий в обратном направлении, в виде линейной эквивалентной схемы,. показанной на рис. 2-27, б Соответствующая формула для такой идеализированной характеристики имеет вид:

/ = /обр + 7. (2-50)

где /обр - ток, получаемый птем экстраполяции характеристики до пересечения с осью токов (рис. 2-27, а); Гобр - сопротивление, характеризующее средний наклон кривой.

Несмотря на приближенность формулы (2-50), она, как и эквивалентная схема на рис. 2-27, б, позволяет производить полезные количественные оценки в широком диапазоне напряжений. Параметры эквивалентной схемы определяются по данным справочников или путем измерений.

2-7. ПРОБОЙ ПЕРЕХОДА

Под пробоем р-п перехода понимают резкое уменьшение дифференциального обратного сопротивления, сопровождающееся резким возрастанием обратного тока при незначительном увеличении напряжения Разумеется, понятие резких изменений условно; по существу те процессы, которые обусловливают пробой, начинают проявляться в той или иной мере при напряжениях, значительно меньших пробивного. Поэтому, рассматривая причины пробоя, мы тем самым рассмотрим дополнительные причины, по которым обратный ток реального диода превышает тепловой ток /q.

Различают три вида (механизма) пробоя: туннельный (зенеров-ский) , лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля, а третий - с увеличением рас-. свиваемой мощности и соответственно температуры.

Туннельный пробой. В основе этого вида пробоя лежит туннельный эффект, т. е. просачивание электронов сквозь потенциальный барьер, если толщина последнего достаточно мала.

Вероятность туннельного эффекта определяется зкспонентой

1291:

ехр(-~-d К2)= ехр (-10 ЙФ),

где Ф - высота барьера. В; d - его толщина, см. Коэффициент 10* получен для случая т* = т.

При анализе пробоя под высотой барьера следует понимать ширину запрещенной зоны фз, а под толщиной барьера - расстояние d между противостоящими зонами (рис. 2-28, а). Если распределение потенциала принять линейным и положить \ U \ Афо,

* Второе название связано с фамилией ученого Zener, впервые описавшего соответствующее явление применительно к однородному материалу.

то расстояние d легко найти из рис. 2-28, а: d = t {ц)\и\). Тогда вероятность туннелирования (см. выше) будет определяться напряженностью поля в переходе (Е = \ U ! ), шириной запрещенной зоны, а также эффективной массой носителей. Нетрудно убедиться в очень сильной зависимости туннельного эффекта от напряженности поля: изменение 1,21,00,80,Б0/Ю,г О значения Е от 1№ до

1,1 10 В/см (при Фз = = 1 В) увеличивает вероятность туннелирова-

р-слои п-слои. d

Туннели- рованае

5 -50 S: 8-80

ния в е раз! Ясно, что при напряженно-стях 10* В/см и менее нет никакого смысла учитывать туннельный эффект. Напротив, при напряженностях более 10 В/см этот эффект становится весьма существенным.

Плотность туннельного тока получается путем умножения приведенной выше вероятности туннелирования на некоторые параметры валентной зоны, а также на напряженность поля. В результате *

/ 10Вфз/2\

Рис. 2-28. Туннельный пробой.

о - зонная диаграмма; б - обратная характеристика диода н режиме пробоя.

/ = Лг/ехр

(2-51)

Начало пробоя оценивают условно, например, из равенства / = Ю/о. При этом получают пробивную напряженность поля JEp (опыт дает для германия 2 10 В/см и для кремния Е ~

4-10 В/см).

Как известно, в реальцых р-п переходах распределение потенциала нелинейное и поле непостоянное: максимальная напряженность поля имеет место на металлургической границе (см. рис. 2-7). Величину акс можно выразить через напряжение <7, если подставить в формулу (2-66) значения л; = О и / = /, где / определяется формулой (2-12). Полагая акс = £пр. получаем напряжение туннельного пробоя в следующем виде:

=$7 = \ бпррб.

(2-52)

Более точные полуэмпирические зависимости имеют вид [34]: для германия

f/zl00p -b50pp; (2-53а)

В несколько иной форме такое выражение получено в работе [33].