Se la polarizzazione inversa è talmente alta che |V| supera VBD, si possono verificare due diversi fenomeni di
“breakdown”. Per tensioni poco superiori a VBD si verifica il cosiddetto “breakdown a valanga” (sfruttabile, come
vedremo, per moltiplicare correnti legate ad eventi luminosi); per tensioni ancora maggiori (|V| → VBD*) si ha un
breakdown assolutamente da evitare ai fini della fotorivelazione, noto come “breakdown Zener” (sfruttabile, in altri contesti, per stabilizzare la tensione che insiste ai terminali del diodo). Cominciamo a descrivere quest’ultimo, con riferimento al diagramma a bande di figura 25.
Fig. 25
Diagramma a bande della giunzione pn fortemente polarizzata in inversa, con |V| → VBD*. È evidente come l’assottigliamento delle due
barriere di potenziale provochi le correnti di tunneling degli elettroni e delle lacune.
Per tensione inversa prossima a VBD*, che è dell’ordine delle decine di V, si assiste ad un forte assottigliamento
della barriera di potenziale vista dagli elettroni della banda di valenza del lato p, tale da permettere, per effetto tunnel, che questi attraversino in enorme quantità (rispetto agli elettroni estratti visti prima) la barriera e vadano nella banda di conduzione del lato n. Essendo nella banda di conduzione tali elettroni producono una corrente >> I0. Per giunta la loro presenza nella banda di conduzione del lato n implica la presenza di lacune nella
banda di valenza. Queste vedono una barriera sottilissima, per cui anche loro, per effetto tunnel, la attraversano in gran numero, giungendo nella banda di valenza del lato p. Pertanto assistiamo ad una moltiplicazione
straordinaria della densità di corrente inversa, nota come “corrente di tunneling”, la quale sovrasterebbe una qualsiasi fotocorrente utile.
Adesso esponiamo il fenomeno del breakdown a valanga (“avalanche breakdown”), con riferimento alla figura 26.
Fig. 26
Rappresentazione concettuale del breakdown a valanga (|V| poco superiore a VBD).
Supponiamo di seguire una singola lacuna (h0) che viene estratta nei pressi di xn* ed immessa nella zds*, a causa
della polarizzazione inversa. La lacuna h0, a causa della presenza del campo estraente, è accelerata lungo il suo
tragitto all’interno della zds*, ricevendo un’energia cinetica Ee elevatissima in virtù del voltaggio inverso molto
elevato (campo molto forte). L’energia Ee, che è maggiore dell’energia di ionizzazione del silicio Ei, consente alla
lacuna, non appena “urta” contro un legame covalente Si – Si (formato dalla sovrapposizione di due orbitali ibridi
sp3, ciascuno dei quali fornisce un elettrone di valenza), di romperlo, liberando un elettrone e1 ed una lacuna h1;
l’elettrone secondario e1 va in banda di conduzione e la lacuna secondaria h1 in quella di valenza. Quindi mentre
attraverso la superficie attiva S posta prima del legame rotto e ortogonale all’asse x fluiva un flusso Fin, associato
alla lacuna h0, una superficie S identica e parallela, posizionata dopo il legame rotto, è attraversata dal flusso Fin e
da un secondo flusso pari a PFin, il quale è associato alla lacuna termogenerata h1, dove P è la probabilità che h0
possa produrre la ionizzazione. P, compresa fra 0 ed 1 e tendente a 0 se |V| < VBD, risulta tanto maggiore quanto
maggiore è la V inversa. A sua volta h1 romperà un legame, a breve distanza dal primo, provocando una seconda
ionizzazione in cui si generano un elettrone e2 ed una lacuna h2; a quest’ultima è associato un flusso P2Fin. Gli
elettroni come e1 ed e2 sono chiamati “raggi delta” ed il loro comportamento è analogo a quello delle lacune h1, h2,
ecc…, salvo alcune eventuali differenze nella probabilità di produrre ionizzazioni per impatto. Il flusso di lacune che attraversa la superficie attiva S in prossimità di –xp* è dato da:
F
out= F
in+ PF
in+ P
2F
in+ P
3F
in+ …… + P
nF
in+……
= 1 + P + P
2+ P
3+…… =
=
=
= M
L’ultima relazione (quella di proporzionalità diretta) è valida solo nell’ipotesi in cui la carica primaria (h0),
durante tutto il suo percorso dal bulk di estrazione a quello di destinazione, non esca mai dal volume attivo della zds* (volume di moltiplicazione, pari a S x zds*). M è il “fattore di moltiplicazione della densità di corrente” (più precisamente, in questo caso, è il fattore di moltiplicazione della densità di corrente d’estrazione, ovvero della corrente dovuta esclusivamente ai portatori minoritari estratti, termogenerati nei due bulk), ed è pari al numero di lacune che arrivano presso –xp*, prodotte nella zds*, derivanti da una singola lacuna primaria estratta dal
campo. Quindi alla “corrente di estrazione”, la quale coincide esattamente con la corrente inversa I0 solo nel caso
in cui P = 0, ovvero se |V| < VBD, si somma una “corrente di generazione” (generazione termica) formata dai
portatori secondari, termogenerati lungo tutto il tragitto delle cariche primarie e raccolti “a fine corsa”. La somma fra corrente di estrazione e corrente di generazione è chiamata “corrente di buio” oppure “corrente di dark – bulk”; quest’ultima costituisce un paramentro di fondamentale rilevanza per qualunque fotorivelatore a semiconduttore. A questa si sovrappone una “corrente di perdita” (“leakage current”) legata alla ricombinazione di portatori secondari e primari all’interno della zds*: tale ricombinazione è dovuta in prevalenza alle impurezze
e ai difetti reticolari, concentrati soprattutto sulla superficie del dispositivo. Più |V|, partendo da VBD, si avvicina
al valore asintotico VBD*, e più M aumenta, fino a divergere, così che la corrente di generazione domina su quella
di estrazione. La valanga è costituita dall’insieme delle cariche primarie e secondarie, quest’ultime generate nella zds*, che vengono raccolte presso i due bulk di destinazione. Un discorso equivalente a quello svolto finora per le lacune vale per gli elettroni estratti e immessi nella zds*: infatti ciascuno di loro innescherà, in linea teorica, una
valanga proporzionale a |V|, pertanto per ciascun elettrone che entra nella zds* da –xp* ci saranno, in media, M
elettroni raccolti nei pressi della sezione xn*. Affinchè si inneschi il breakdown a valanga è necessario che |V| sia
almeno pari a VBD, ovvero che il valore massimo del campo elettrico (che si trova presso x = 0) sia: