Ударная ионизация

Приводит к лавинному умножению концентрации свободных носителей заряда и напоминает процесс, происходящий при пробое газов. Этот процесс начинает заметно проявляться в полупроводни­ках при напряженности поля, равной 10⁷—10⁸ В/м. При такой напря­женности электрическое поле разогревает электронный газ и повы­шается вероятность развития ударной ионизации, т. е. возникают условия, когда свободный электрон (электрон зоны проводимости) на длине свободного пробега может накопить энергию, достаточную при «соударении» с атомом примеси или с атомом полупроводника забросить электрон соответственно с локального уровня примеси

Рис. 8.9. Энергетические зо­ны полупроводника в силь­ном электрическом поле: / и 2 — переходы электронов в ЗП из ВЗ и спримесных уровней соответственно

10-Колесов 289
или из ВЗ в ЗП. При этом заброс электрона из ВЗ в ЗП происходит в более сильных полях, чем с примесных уровней. Например, в герма­нии ударная ионизация электронов с примесных уровней, образо­ванных элементами III (и V) групп таблицы Д.И. Менделеева, на­блюдается уже при Е = 10³ В/м. Лавинное же увеличение концентрации свободных носителей заряда будет происходить тогда, когда ионизирующий свободный электрон после акта возбуждения электрона из ВЗ (или примесных уровней) сам остается в возбужден­ном состоянии, т. е. остается в ЗП. Это может наблюдаться в том случае, когда энергия ионизирующего электрона настолько велика, что после акта возбуждения связанного электрона он сохраняет энергию, не меньшую энергии нижнего уровня ЗП. Расчеты показы­вают, что для этого ионизирующий электрон должен к моменту «со­ударения» накопить энергию, примерно равную 1,5 A W 33 полупро­водника. Аналогичные условия отмечаются и для «дырочной» ударной ионизации в ВЗ полупроводника.

Таким образом, ударная ионизация как электронами, так и дыр­ками приводит к лавинообразному возрастанию концентрации сво­бодных носителей заряда и, следовательно, удельной электропровод­ности полупроводника, так как при каждом акте образуется пара свободных носителей заряда — электрон и дырка.

Количественно интенсивность ударной ионизации характеризуется ко­эффициентом ударной ионизации ос носителей заряда. Его величина определя­ется числом электронно-дырочных пар, образуемых носителями заряда на единице пути их движения в направлении электрического поля в пересчете на один носитель заряда. В ограниченном диапазоне электрических полей для полевой зависимости а используются следующие простые аппроксима­ции:

а(Е) = А&хр(-В/Е), (8.18)

где Е — напряженность электрического поля; А, В — параметры аппрокси­мации.

Коэффициенты ударной ионизации для электронов а_п и дырок 0Ср раз­личны (у кремния а„ > 0Ср). Для упрощения расчетов принимают, что а_п и 0Ср равны между собой и равны некоторому эффективному коэффициенту удар­ной ионизации, параметры аппроксимации которого для кремния следую­щие: А = 7,94-10⁷ м-¹, В= 1,49-10⁸ В/м.

Итак, в сильных электрических полях с увеличением напряжен­ности поля концентрация свободных носителей заряда начнет лави­нообразно нарастать, главным образом, за счет ударной ионизации. В результате начнет резко возрастать ток и при напряженности поля, равной Е_пр, произойдет электрический пробой. Время, необходимое для его формирования, небольшое и равно примерно 10"⁶—10~⁸ с. Электрический пробой полупроводников в отличие от пробоя твер­дых диэлектриков не приводит к разрушению образца, а является нормальным режимом работы некоторых полупроводниковых при­боров (например, стабилитронов; см. 9.7.1).

В достаточно сильных электрических полях, но при более низ­ком напряжении может также наблюдаться тепловой пробой. Он бо­лее растянут по времени, чем электрический, и наступает тогда, ко­гда процесс тепловыделения в полупроводнике превышает процесс теплоотдачи. Тогда температура токового канала повышается и вследствие интенсивной тепловой генерации увеличивается концен­трация свободных носителей заряда. Это, в свою очередь, приводит к увеличению температуры токового канала, что вызывает новый рост тока и т.д., пока не наступит тепловой пробой. Тепловой пробой в отличие от электрического является необратимым процессом и при­водит к разрушению образца.

Дата добавления: 2015-08-09