Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
коэффициента ионизации от поля.
10.2.2. Область лавинного умножения и область дрейфа
В идеальном р-i-"-диоде область лавинного умножения занимает всю ширину
слоя собственной концентрации. Однако в диодах Рида и р-"-переходах
область умножения носителей заряда очень узкая и расположена вблизи
металлургической границы перехода. Вклад в интеграл в выражении (2)
быстро уменьшается по мере удаления х от металлургической границы.
Поэтому имеет смысл определить ширину области умнежения хА таким
(?)
158
Глава 10
Рис. 5. Шири на области лавинного умножения в переходах из кремния и
арсе-нида галлия и ширина области обеднения в зависимости от концентрации
примеси в симметричных переходах из Si и GaAs [24 J.
образом, чтобы при интегрировании эффективного коэффициента ионизации от
0 до хА получить 95 % полной величины:
J (a) dx = 0,95, (9)
а для диода Рида, диода с двухслойной базой, ас имметричного резкого р+-
"-перехода и симметричных р-"-переходов при пробое
ХА/2
| (a)d.r = 0,95. (10)
-ХА/2
На рис. 5 приведены зависимости ширины области лавинного умножения от
концентрации примеси в диодах из кремния н арсе-нида галлия [24J, а также
Зависимости ширины обедненной области
Лаеинно-пролетные диоды
159
в симметричных переходах. Из-за того что в кремнии коэффициенты ионизации
различны (ап > ар), при одинаковой концентрации примеси ширина области
умножения в п+-р-переходе мешше, чем в р+-"-переходе. В диоде Рида или в
диоде с двухслойной базой ширина области умножения такая же, как и в
асимметричном резком р+-"-переходе, если концентрация примеси Nг
одинакова. В диоде с трехслойной базой область умножения занимает
пространство от металлургической границы до слоя заряда высокой
концентрации при хА - Ь.
Область дрейфа совпадает с обедненной областью, за исключением слоя
лавинного умножения носителей, или хА < х < W. Важнейшей характеристикой
области дрейфа является скорости с которой носители заряда пролетают
через эту область. Время пролета области дрейфа минимально при достаточно
большой напряженности электрического поля, когда носители движутся со
скоростью насыщения vs. В кремнии напряженность электрического поля
должна превышать 104 В/см. В арсениде галлия поле может быть значительно
меньше (~108 В/см).
В р-i-"-диодах это требование выполняется автоматически, так как
электрическое поле при пробое приблизительно одинаково на всей длине
области собственной концентрации и существенно превышает поле,
необходимое для насыщения скорости. В диоде Рида минимальная
напряженность электрического поля в области дрейфа равна (^мин - 8т - q
[Ntb 4- N% (W - b) l/es.
Из сказанного выше следует, что диод Рида нужно рассчитать так, чтобы
<8ШШ было достаточно велико. В резких р-"-переходах всегда существуют
области, в которых напряженность электрического поля меньше необходимой
для начала пробоя. Однако эти области занимают лишь небольшую часть всего
обедненного слоя. Например, в кремниевом р*-"-переходе с концентрацией
примеси 1018 см"8 максимальное поле при пробое равно 4 X X 105 В/см.
Отношение ширины области, в которой напряженность электрического поля
относительно низка (меньше 104 В/см), к полной ширине обедненной области
составляет 104/4-105 ="* *¦= 2,5 %. В р+-"-переходе из арсенида галлия
при такой же концентрации примеси ширина области слабого поля составляет
менее 0,2 % ширины обедненной области. Поэтому существование области
слабого поля практически не сказывается на временя пролета носителей
через обедненную область.
10.2.3. Влияние температуры и объемного заряда носителей
Напряжение пробоя и максимальные напряженности электрического поля, о
которых речь шла выше, вычисляются при комнатных температурах без учета
эффектов объемного заряда носителей, разогрева и в отсутствие генерации.
Однако в рабочих
160
Глава 10
условиях ЛПД смещен в область лавинного пробоя, и обычно плотность тока
очень велика. Это приводит к заметному увеличению температуры в переходе
и появлению эффектов, связанных с объемным зарядом носителей,
Коэффициенты ионизации электронов и дырок уменьшаются при увеличении
температуры [26]. Поэтому при заданной концентрации примеси напряжение
пробоя ЛПД будет возрастать по мере того, как температура повышается. С
ростом потребляемой на постоянном токе мощности (произведение напряжения
на ток при обратном смещении) возрастают как температура в переходе, так
и напряжение пробоя. В конце концов диод выходит из строя в основном из-
за сильного разогрева, вызывающего локальные разрушения. Поэтому
увеличение температуры в р-л-переходе накладывает сильные ограничения на
режим работы диода. Для того чтобы предотвратить увеличение температуры в
приборе, необходим хороший теплоотвод. Этот вопрос мы обсудим в разд
10.4.
Объемный заряд генерируемых носителей приводит к изменению напряженности
электрического поля в обедненной области. Этот эффект вызывает появление
дополнительного статического сопротивления, которое положительно для
