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2024-07-14 00:26:47| 来源: 网络整理| 查看: 265

众所周知,对于传统的二极管来说,雪崩击穿是一种常见的由载流子碰撞主导的击穿方式。然而,除了雪崩击穿外,还存在另一种造成功率二级管电流瞬间增大的效应,即齐纳击穿。齐纳击穿是在强电场和隧道效应的作用下,大量电子从价带穿过禁带而进入到导带时所引起的一种击穿现象。

在这里插入图片描述

图1 隧道结的电流电压特性 齐纳击穿又称为隧道击穿,因此本推文首先重点介绍一下p+/n+结中的隧道效应。图1展示了p+/n+结工作电流随外加偏置电压变化的典型分布,该变化趋势直接取决于p+/n+结能带分布。 在这里插入图片描述

图2 隧道结的简单能带图 首先,对应图1中特性曲线的点1,当隧道结外加一个较小的正向偏压时,n+区的能带相对于p+区抬高了qV,此时费米能级不再统一,能带图如图2(a) 所示,这时结两侧能量相等的量子态中,p+区价带的费米能级以上有未被电子占据的量子态,n+区导带的费米能级以下量子态被电子占据,因此n+区导带中的电子可以通过隧道效应跨过禁带到达p+区价带中,形成由p+指向n+的正向隧道电流,且正向电流会随着电压的逐渐增大,最终达到一个最大值(Ip),此时对应图1中特性曲线的点2; 随着正向偏压的进一步增大,结两侧相同的量子态数目慢慢减少,直到n+区导带底和p+区价带顶一样高时,结两侧相同的量子态数目为零,从图2(b)和(c)的能带图的变化可以看出。此时电流会从最大值Ip 慢慢减小到最小值Iv,此时对应图1中特性曲线的点3。最后,随着正向偏压的继续增大(V>Vv),外加偏置Vv对应图1中特性曲线的点4,此时p+ /n+结开始导通,扩散电流成为主要电流成分,正向电流开始迅速增大。当器件外加反向偏压时,对应图1中特性曲线的点5,此时能带图如图2(d)所示,p+区能带相对n+区能带升高,p+区中的价带电子能够很容易隧穿到n+区导带未被电子占据的量子态中,从而产生反向隧道电流。随着反向偏压的增加,从p+区价带隧穿到n+区导带中的电子数目大大增加,使得反向隧道电流迅速增大,导致器件发生隧道击穿,即齐纳击穿。 为了让大家对齐纳击穿与雪崩击穿有更深的了解,本文整理了以下三点区别:

齐纳击穿主要取决于空间电荷区中的强电场,并且需要较薄的隧穿区域;而碰撞电离过程既与场强大小有关,也与载流子的碰撞累积过程有关。当空间电荷区越宽时,倍增次数越多,因此雪崩击穿除了与电场强度有关以外,同样与空间电荷区的宽度有关,区别在于雪崩击穿要求“结厚”,而齐纳击穿要求”结薄”;由于温度升高造成禁带宽度减小,隧穿几率增大,因此由隧道效应决定的击穿电压具有负的温度系数,即击穿电压随温度升高而减小。而由于温度升高,载流子受散射加剧,碰撞电离率随温度升高而减小,则雪崩效应导致的击穿电压随温度升高而增加,即温度系数为正;对于掺杂浓度较高,且势垒区较薄的PN结,以齐纳击穿为主;而对于掺杂较低,且势垒区较宽的PN结,则以雪崩击穿为主,并且击穿电压一般较高。 参考文献: [1] S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices. John Wiley and Sons, New York, 1981, p. 120. [2] E. k. Liu, The physics of Semiconductors, pp. 211-213.


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