Лавинного умножения

На 3.19, а показана составляющая туннельного тока /др.ту„ (кривая О АС), которая в точке А достигает максимума вследствие насыщения туннелей. Правее точки А плотность тока в туннелях становится настолько большой, что некоторые электроны выталкиваются (вытесняются) из туннелей и попадают в поле барьера, направленное навстречу внешнему полю, действующему в туннелях. В мощном поле барьера электроны меняют направление, как показано на 3.19, б, и разгоняются до скоростей, достаточных для лавинного размножения носителей зарядов в области, контролируемой полем барьера.

На прямой ветви характеристики туннельного диода ( 3.18, б) следует выделить: точку А, соответствующую максимуму туннельного тока /тах при напряжении t/i — началу падающего участка характеристики; точку В, соответствующую минимуму тока через диод (/min = /дрдун — /лав max) — концу падающего участка характеристики при напряжении U2; точку С, соответствующую прекращению лавинного размножения носителей зарядов при напряжении U3.

Если увеличивать напряжение источника питания, ток тиристора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения иыя. При напряжении С/вкл в динисторе создаются условия для лавинного размножения носителей заряда в области коллекторного перехода. Происходит обратимый электрический пробой коллекторного перехода (участок 2 на 16.45,6). В «-области коллекторного перехода образуется избыточная концентрация электронов, а в ^-области -избыточная концентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальные барьеры всех переходов динистора. Возрастает инжекция носителей через эмиттерные переходы. Процесс носит лавинообразный характер и сопровождается переключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходит одновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора. Поэтому увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодом и катодом. На ВАХ этот участок обозначен цифрой 3. Здесь прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Напряжение на резисторе возрастает и происходит переключение динистора.

Когда в приборе, к которому приложено внешнее напряжение С/а, вовсе отсутствуют начальные заряды либо концентрация и.\ очень мала, различают два этапа в ходе развития (зажигания) разряда: 1) этап запаздывания 4; 2) этап формирования разряда ?ф ( 2-21, а). Первый этап, обозначенный на 2-21, а через ?3, учитывается от момента приложения к прибору напряжения до появления у катода первой электронной лавины. Второй этап формирования t$ определяется временем нарастания анодного тока от начала лавинного размножения зарядов до значения, близкого к диктуемому внешней цепью.

ко раз увеличивается ток данных носителей в результате ударной ионизации. Другими словами, коэффициент лавинного размножения — это отношение тока данных носителей заряда (например, электронов), выходящих из

Связь коэффициента лавинного размножения с коэффициентом ударной ионизации и вывод условия лавинного пробоя

параметра, характеризующего физический процесс, — коэффициента ударной ионизации — с параметром, характеризующим р-«-переход при ударной ионизации, — коэффициентом лавинного размножения — воспользуемся уравнением непрерывности, например для электронов, которое имеет вид, аналогичный виду уравнения непрерывности для дырок (3.5):

электронов, соответствующий плотности электронного тока /„(б) ( 3.15). В соответствии с определением коэффициента лавинного размножения выходящая из перехода плотность электронного тока равна Л1/„(б). Эта же плотность тока является полной плотностью тока через рассматриваемый переход, так как через левую границу несимметричного п+-р-перехода дырочная составляющая тока не проходит. Таким образом, граничные условия принимают вид

Соотношение (3.65) отражает связь коэффициента лавинного размножения с коэффициентом ударной ионизации. При пробое р-п-перехода коэффициент лавинного размножения М—>-оо. Тогда

Расчет коэффициента лавинного размножения и пробивного напряжения при лавинном пробое резкого электронно-дырочного перехода

Учитывая соотношение между коэффициентами лавинного размножения и ударной ионизации (3.65) и принимая аппроксимацию зависимости коэффициента ударной ионизации от напряженности электрического поля (1.33), получим

После этого происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда за счет лавинного умножения носителей заряда в p-n-переходе П2 движущимися электронами и дырками. С увеличением количества носителей заряда ток в переходе быстро нарастает, так как электроны из слоя л2 и дырки из слоя pi устремляются в слои р2 и «! и насыщают их неосновными носителями заряда. Напряжение на резисторе -R возрастает, напряжение на тиристоре падает. После пробоя напряжение на тиристоре снижается до значения порядка 0,5—1 В. При дальнейшем увеличении э. д. с. источника Еа и- -^ппА или уменьшения сопротивления резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с вертикальным участком вольт-амперной характеристики. Такой пробой не вызывает разрушения перехода Я2. При уменьшении тока восстанавливается высокое сопротивление перехода (нисходящая ветвь на 1.32.) Время восстановления сопротивления этого перехода после снятия питающего напряжения обычно составляет 10—30 мкс.

Вольт-амперная характеристика фототиристора при световом потоке Ф=0 ( 4.15) соответствует характеристике тиристора при управляющем токе 1^=0. Если напряжение, подведенное к фототиристору, не превышает напряжения ?/вкл, при котором происходит резкое увеличение тока тиристора за счет лавинного умножения носителей заряда, то ток фототиристора, обусловленный движением неосновных носителей заряда через переход Я2, имеет очень небольшое значение и представляет собой темновой ток.

В результате ударной ионизации происходит процесс лавинного умножения носителей. Этот процесс связан с появлением на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением. С физической точки зрения появление отрицательного сопротивления объясняется тем, что при достижении определенного напряжения (Увкл возникают лавинообразный процесс и генерация носителей тока, поэтому напряжение на динисторе начинает

Преобразование оптической мощности P(t) (при модуляции по интенсивности) в электрический сигнал Ic(t) осуществляется с помощью полупроводниковых фотодиодов (ПФД): I c(t) = r\eMP(t)/(hv), где h — постоянная Планка; v = с До = /о; е — заряд электрона; т — квантовый выход ПФД (число носителей тока в ПФД к числу фотонов, вызвавших эти носители); М — коэффициент лавинного умножения (для лавинных ПФД).

условленный фоновой засветкой преобразователя; М и х — коэффициенты лавинного умножения фототока и избыточного шума лавинного фотодиода (для остальных типов преобразователей свет — сигнал, рассмотренных в гл. 9, принимается М= \, х=0); /6, /к и гб — посто-

При превышении напряжения UK3 проб процесс размножения носителей заряда в коллекторном переходе приобретает лавинообразный характер. В режиме лавинного умножения (на 2.18, а отмечена область лавинного пробоя IV) работают лишь специально сконструированные лавинные транзисторы.

Режим лавинного умножения _

В режиме насыщения оба перехода открыты, в режиме отсечки оба перехода закрыты. На 3.35, б область DBCF линии нагрузки соответствует активному режиму, область OD — режиму насыщения, область ниже OF — режиму отсечки. Кроме рассмотренных трех режимов работы транзистора, иногда применяют инверсный режим (инверсное включение) транзистора, при котором коллекторный переход открыт, а эмиттерный переход закрыт. Области всех режимов показаны на 3.35, в. Режим лавинного умножения используют только для специальных «лавинных» транзисторов. Линия abed является ограничительной по току (участок ab), по допустимой мощности, рассеиваемой коллектором (участок be), и по напряжению (участок cd). Рабочая точка на линии нагрузки не должна выходить за ограничительную линию.

2.31. Схема лавинного умножения носителей заряда в переходе

связей нейтральных атомов кремния. В результате такой ионизации рождается электронно-дырочная пара и процесс ударной ионизации продолжается с участием этой новой пары носителей заряда и т. д. При достаточно большой напряженности поля в переходе, когда исходная пара носителей заряда в среднем порождает больше одной пары носителей, процесс ионизации приобретает лавинный характер, подобно самостоятельному разряду в газе. Процесс лавинного умножения происходит не по всей площади перехода одновременно, а в отдельных областях локализации электрического поля — на дефектах кристаллической решетки и других неоднородностях. В областях локализации поля образуются микроплазмы, в которых идет процесс лавинного умножения.

Лавинно-пролетный диод (ЛПД) — прибор, принцип действия которого основан на возникновении в диапазоне СВЧ отрицательного динамического сопротивления, вызванного процессами лавинного умножения носителей заряда и их пролетом через полупроводниковую структуру.