1、2.4 PN 結(jié)的擊穿,雪崩倍增 隧道效應 熱擊穿,擊穿現(xiàn)象,擊穿機理：,電擊穿,2.4.1 碰撞電離率和雪崩倍增因子,反向電壓 可使被碰撞的價帶電子躍遷到導帶，從而產(chǎn)生一對新的電子空穴對，這就是 碰撞電離。碰撞電離主要發(fā)生在反偏 PN 結(jié)的耗盡區(qū)中。,電子（或空穴）在兩次碰撞之間從電場獲得的能量為,1、碰撞電離率 定義：一個自由電子（或空穴）在單位距離內(nèi)通過碰撞電離而產(chǎn)生的新的電子空穴對的數(shù)目稱為電子（或空穴）的 碰撞電離率，記為： 。,式中，A、B、m 為經(jīng)驗常數(shù)，可在表 2-1 中查到。,與電場 E 強烈有關，可用如下經(jīng)驗公式近似表示,2、雪崩倍增因子 定義：包括雪崩倍增作用在內(nèi)的流出耗

2、盡區(qū)的總電流與流入耗盡區(qū)的原始電流之比，稱為 雪崩倍增因子，記為 M 。,同理，由于電子的碰撞電離在 dx 距離內(nèi)新增的流出 ( x+dx ) 面的空穴數(shù)目為,單位時間內(nèi)流過位于 x 處面上單位面積的空穴數(shù)目為,由于這些空穴的碰撞電離而在 dx 距離內(nèi)新增的流出 ( x+dx )面的空穴數(shù)目為,為簡便起見，假設 ，則流出 ( x+dx ) 面的總的新增空穴數(shù)目為,在 dx 距離內(nèi)新增的空穴電流為,將上式從 x = 0 到 x = xd 積分，得：,式中， 稱為 電離率積分。,當 ，總電流就是原始電流，表示無雪崩倍增效應。,隨著反向電壓,，即發(fā)生,雪崩擊穿。由此可得發(fā)生 雪崩擊穿的條件 是,3、

3、雪崩擊穿條件,實際計算雪崩擊穿電壓 VB 時，常采用如下近似方法。 由于 隨 E 的變化很劇烈，所以對積分起主要作用的只是 電場峰值附近的很小一部分區(qū)域。這個區(qū)域內(nèi) 幾乎不變，因此可以近似認為，當 達到某 臨界電場 EC 時，即可滿足擊穿條件 ，從而發(fā)生雪崩擊穿。,2.4.2 雪崩擊穿 1、利用雪崩擊穿條件計算雪崩擊穿電壓 對一定摻雜濃度的 PN 結(jié)，先計算出對應于各反向電壓 V 的 E(x)，及與 E(x) 對應的 i (x) ，再求電離率積分。當 V 增大到使該積分等于 1 時，所對應的 V 就是雪崩擊穿電壓 VB 。,2、雪崩擊穿電壓的近似計算方法,對于突變結(jié)，,由式(2-10)可知，,

4、可見，禁帶寬度 EG 越大，則擊穿電壓 VB 越高；約化雜質(zhì)濃度 N0 越低，VB 越高。對于單邊突變結(jié)，N0 就是低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度，因此 擊穿電壓也取決于低摻雜一側(cè)，該側(cè)的雜質(zhì)濃度越低，則 VB 越高。,也可通過查曲線求得突變結(jié)的雪崩擊穿電壓 VB 。,對于線性緩變結(jié)，,或通過查曲線求得線性緩變結(jié)的雪崩擊穿電壓 VB 。,實際擴散結(jié)的擊穿電壓,由擴散工藝形成的實際擴散結(jié)，其雜質(zhì)分布既非突變結(jié)，也非線性緩變結(jié)，而是 余誤差分布 或 高斯分布，,N,P,xj,xj,x,x,N(x),N(0),N0,0,硅平面工藝中，常采用雜質(zhì)擴散工藝制造 PN 結(jié)。從表面到冶金結(jié)面的距離，稱為 結(jié)深，用 x

5、j 表示。,方法 1：查曲線。,方法 2：根據(jù) PN 結(jié)的具體情況，分別近似看作單邊突變結(jié)或線性緩變結(jié)，再用相關公式進行計算。,4、擊穿電壓的測量 常采用類似于測量正向?qū)妷?VF 的方法。,3、雪崩擊穿電壓與溫度的關系 雪崩擊穿電壓具有正溫系數(shù)，即溫度 T 上升時，VB 增大。,5、結(jié)的結(jié)構對雪崩擊穿電壓的影響 只有滿足以下條件的 PN 結(jié)，才能使用以上公式與曲線來計算擊穿電壓 VB 。,結(jié)面為一平面，即平面結(jié),平行平面結(jié),結(jié)面與材料表面相垂直,低摻雜中性區(qū)的厚度足夠厚,然而實際上絕大多數(shù) PN 結(jié)并不滿足這些條件 ，這就必須對計算擊穿電壓的公式加以修改。,（1）高阻區(qū)厚度的影響,對于同樣

6、的 |Emax | = EC ，當 N- 區(qū)足夠厚時，即 W xdB 時，,。但是當 W xdB 時，擊穿電壓變?yōu)椋?可見，VB VB ,且若 W，則 VB。,N+,N-,P+,xdB,W,0,x,W,W,（2） 結(jié)面曲率半徑的影響 由擴散工藝所形成的 PN 結(jié)，在結(jié)面的四周和四角會形成柱面與球面。,結(jié)深 xj 越小，曲率半徑就越小，電場就越集中，擊穿電壓VB 也就越低，且多發(fā)生在表面而不是體內(nèi)。,6、提高擊穿電壓的措施,采用如下圖所示的臺面結(jié)構,摻雜濃度要低、濃度梯度要小,低摻雜區(qū)的厚度要足夠厚,結(jié)深要深,2.4.3 齊納擊穿 1、隧道效應 由于電子具有波動性，可有一定的幾率穿過勢壘。勢壘越

7、薄，隧道效應就越明顯。,由于存在隧道效應，使價帶中不具有 EG 能量的A點電子可有一定的幾率穿過隧道到達導帶中的 B 點，從而進入 N 區(qū)形成反向電流。,電子能量,電子動能,x,摻雜濃度恒定而反向電壓變化時，隨著反向電壓的提高，勢壘區(qū)寬度增大，但由于勢壘區(qū)中的電場增強，所以隧道長度反而縮短。,反向電壓恒定而摻雜濃度變化時，隨著摻雜濃度的增加，勢壘區(qū)縮短，勢壘區(qū)中的電場增強，隧道長度也縮短。,A、B 兩點間的隧道長度 d 可表為,隨著反向電壓的提高 ， 增大，隧道長度 d 縮短， 使反向電流增大。當反向電壓增大到使 達到臨界值時，d 變的足夠小，使反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象就稱為 齊納擊穿 ，或

8、 隧道擊穿。,由量子力學可知，隧道電流可表為,2、齊納擊穿,一般說來，當 時為雪崩擊穿，當 時為齊納擊穿。,xd 較大時，即 N0 或 a 較小時，較易發(fā)生雪崩擊穿；,3、兩種擊穿的比較,雪崩擊穿條件： 齊納擊穿條件：,對于硅，這分別相當于 7V 和 5V 左右。 其余內(nèi)容請參見表 2-3 。,xd 較小時，即 N0 或 a 較大時，較易發(fā)生齊納擊穿。,反向電壓 V功率 PC = V I0 結(jié)溫 Tj I0,當 Tj 不受控制的不斷上升時，將導致 PN 結(jié)的燒毀，這就是 熱擊穿。熱擊穿是破壞性的，不可逆的。,2.4.4 熱擊穿,式中 V 為反向電壓，Tj 為 PN 結(jié)的結(jié)溫。,式中 Ta 代表環(huán)境溫度，RT 代表 熱阻，其計算公式為,式中， 與 分別為材料的熱阻率與熱導率，L 與 A 分別代表傳熱途徑上的長度和橫截面積。,單位時間內(nèi)散發(fā)掉的熱量為,當 PC PTd 時，Tj 上升；,當 PC = PTd 時，Tj 維持不變，達到平衡；,當 PC PTd 時，Tj 下降。,（2-123）,（2-124）,防止熱擊穿最有效的措施是降低熱阻 RT 。此外，半導體材料的禁帶寬度 EG 越大，則 I0 越小，熱穩(wěn)定性