PN结击穿特性（上）在线视频

2.5 PN结的击穿     

击穿现象：当给PN结施加反向偏置电压时，PN结有较小的漏电流，而且几乎不随反向电压的增加而增加，当反向电压增加到某一值时，反向电流急剧增加的现象，就叫击穿。如图所示。

    PN结发生击穿的主要机制有：雪崩击穿；隧道击穿和热击穿，下面对这三种击穿机制进行讨论。
1、雪崩击穿
    雪崩击穿源于碰撞电离。
1）碰撞电离：
    当电子（或空穴）通过空间电荷区时，一方面从电场中获得能量，一方面又不断与晶格发生碰撞，电子（或空穴）在两次碰撞之间所获得的能量为

    当反向电压增加时，空间电荷区的电场强度增加，△E增加，△E大于E_G时，可使被碰撞的价带电子跃迁到导带，从而产生一对新的电子空穴对，这就是碰撞电离。
     为了定量描述碰撞电离，引入碰撞电离率
2）碰撞电离率
一个自由电子（或空穴）在单位距离内通过碰撞电离而产生的新的电子空穴对的数目称为电子（或空穴）的碰撞电离率，记为：αin（或α_ip）

    α_i与电场强烈有关，可用如下经验公式近似表示：

式中，A、B、m 为经验常数。

3）雪崩倍增因子

    定义：包括雪崩倍增作用在内的总电流与进入耗尽区的原始电流之比，称为 雪崩倍增因子，记为M 。

4）雪崩击穿条件

单位时间内流过 x 面上单位面积的空穴数目为: 

由于这些空穴的碰撞电离而在dx距离内新增的空穴数目为：

同理，由于电子的碰撞电离在dx距离内新增的空穴数目为：

为简便起见，假设α_ip=α_in=α_i，dx距离内总的新增空穴数目为:

则在dx距离内新增的空穴电流为：

将上式从x=0到x积分，得：

类似可得：

雪崩击穿条件：

5）雪崩击穿电压
      实际计算击穿电压VB  时，常采用如下近似方法。

    由于碰撞电离率对电场强度的强烈依赖，故对积分起主要作用的只是电场峰值附近的很小一部分区域。在这个区域内电场强度几乎不变，因此可以近似认为，当电场强度达到某一 临界电场值E_C时即足击穿条件，而发生雪崩击穿。
    因为雪崩击穿的条件毕竟是电离率的积分趋近于1，而不是电离率的最大值趋近于1，因此临界电场强度的大小与电场分布有关。

• 对于突变PN结：

已知：

最大电场强度达到临界电场强度时的外加电压就是雪崩击穿电压，因此有：

忽略内建电势，则：

将临界电场强度表达式带入上式可得雪崩击穿电压的表达式：

对于硅单边突变P N结雪崩击穿电压的表达式可简化为：

对碳化硅单边突变P N结：

       可见，禁带宽度EG 越大，则击穿电压VB 越高。约化杂质浓度N0 越低，VB  越高。对于单边突变结， N0 就是低掺杂一侧的杂质浓度，因此击穿电压也是取决于低掺杂一侧，该侧的杂质浓度越低，VB 越高。

• 对于线性缓变结

已知：

当最大电场强度等于临界电场强度时：

将临界电场强度代入上式：

对于硅线性缓变结：

    可见，禁带宽度EG越大，则击穿电压VB越高。浓度梯度越小，VB越高。

6）结的结构对VB的影响
    只有满足以下条件的 PN 结，才能使用以上公式来计算击穿电压 VB ：

• 平行平面结

• 低掺杂中性区的厚度足够厚

   

     然而实际上绝大多数 PN 结并不满足这些条件 ，这就必须对计算击穿电压的公式加以修正。 

低掺杂区厚度的影响

     当低掺杂浓度区的厚度小于雪崩击穿时的耗尽层厚度时，低掺杂浓度区的厚度越薄，雪崩击穿电压越小。

• 结面曲率半径的影响

        由扩散工艺形成的PN 结，在结面的四周和四角会形成柱面与球面。结面的剖面图和立体结构图如图所示。

        结深 xj越小，率半径就越小，电场就越集中，击穿电压VB也就越低，且多发生在表面而不是体内

如何避免曲面半径的影响？

采用台面工艺和场效应环技术。

总结：提高雪崩击穿电压的措施主要包括：
降低掺杂浓度；
低掺杂浓度区的厚度要足够厚；
结深要深；
采用台面或场效应环技术。

2、齐纳击穿（隧道击穿）

    隧道效应是指：由于电子具有波动性，可有一定的几率穿过势垒。势垒越薄，隧道效应就越明显。

        由于存在隧道效应，使价带中不具有EG  能量的A点电子可有一定的几率穿过隧道到达导带中的B点，从而进入N 区形成反向电流。经分析，A、B 两点间的隧道长度 d 可表为:

由量子力学可知，隧道电流可表为：

       随着反向电压的提高，大电场强增大，隧道长度d减薄，使反向电流增大。当反向电压增大到使最大电场强达到临界值时，d 变的足够小，使反向电流急剧增大，这种现象就称为齐纳击穿，或道隧击穿。

        Si和Ge PN结的齐纳击穿临界电场分别为 1200 kV/cm和200 kV/cm。
3、两种击穿的比较
    雪崩击穿的条件：

隧道击穿的条件:

足够小
        xd 较大时，即N0或a较小时，较易发生雪崩击穿，xd 较小时，即N0或a较大时，较易发生齐纳击穿。
当

时，容易发生雪崩击穿；当

时，容易发生隧道击穿. 对于Si，这分别相当于7V和5V左右。
4、热击穿
      PN结的电流与温度有关，温度越高，电流越大，功耗就越大，满足如下关系：

上式中V为反向电压，Tj为PN结的结温。
 

    当Tj不受控制的不断上升时，将导PN结的烧毁，这就是热击穿。热击穿是破坏性的，不可逆的。

单位时间内散发掉的热量为：

式中Ta代表环境温度，RT代表热阻，其计算公式为：

式中，ρ_T和K别为材料的热阻率与热导率，L与A分别代表传热途径上的长度和横截面积。
当 P > Pd时，Tj上升；
当P < Pd 时，Tj下降；
当P＝Pd时，Tj维持不变，达到平衡。