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.

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 ${\displaystyle U_{b}}$ (_b — от англ. breakdown, пробой) может составлять от единиц до тысяч вольт, оно нарастает при понижении концентрации акцепторов ${\displaystyle N_{A}}$ или доноров ${\displaystyle N_{D}}$ (обычно более значима концентрация в менее легированной области). Характерные величины напряжённости поля ${\displaystyle F}$ в зоне лавинного пробоя составляют 10⁸ В/м и выше. Так как при повышении температуры ${\displaystyle T}$ 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 ${\displaystyle I}$ с напряжением ${\displaystyle U}$; приложить к переходу постоянное смещение более ${\displaystyle U_{b}}$ оказывается невозможно. При изготовлении силовых приборов, в которых реализуется лавинный пробой, предпринимаются меры для их защиты от паразитного поверхностного пробоя при сравнительно низких напряжениях.

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 ${\displaystyle x=0\ldots L}$ 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 ${\displaystyle L}$ — 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 ${\displaystyle \alpha _{n}=\alpha _{p}=\alpha }$ оно имеет вид

${\displaystyle \int _{0}^{L}\alpha (F(x))=1}$,

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

${\displaystyle \int _{0}^{L}\alpha _{p}\exp \left[-\int _{0}^{x}(\alpha _{p}-\alpha _{n})\,dx'\right]dx=1,\qquad \int _{0}^{L}\alpha _{n}\exp \left[-\int _{x}^{L}(\alpha _{n}-\alpha _{p})\,dx'\right]dx=1}$,

где все коэффициенты предполагаются зависящими от ${\displaystyle F}$ в соответствующей точке.

Имеются также эмпирические выражения для оценки напряжения пробоя ${\displaystyle U_{b}}$ по заданной концентрации примеси ${\displaystyle N}$ в более слабо легированной области перехода, например

${\displaystyle U_{b}\approx 60\cdot \left({\frac {E_{g}}{1.1}}\right)^{3/2}\left({\frac {N}{10^{16}}}\right)^{-3/4}}$.

Здесь ${\displaystyle E_{g}}$ — ширина запрещённой зоны материала (в эВ), ${\displaystyle N}$ 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).

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.

• Эффект Зенера (туннельный пробой)

• 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.