微电子器件(2-4)课件.ppt

2.4 PN 结的击穿,雪崩倍增 隧道效应 热击穿,,击穿现象,击穿机理：,,电击穿,,,,,,,,,,2.4.1 碰撞电离率和雪崩倍增因子,反向电压 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 碰撞电离碰撞电离主要发生在反偏 PN 结的耗尽区中电子（或空穴）在两次碰撞之间从电场获得的能量为,1、碰撞电离率 定义：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： 式中，A、B、m 为经验常数，可在表 2-1 中查到与电场 E 强烈有关，可用如下经验公式近似表示,2、雪崩倍增因子 定义：包括雪崩倍增作用在内的流出耗尽区的总电流与流入耗尽区的原始电流之比，称为 雪崩倍增因子，记为 M 同理，由于电子的碰撞电离在 dx 距离内新增的流出 ( x+dx ) 面的空穴数目为,单位时间内流过位于 x 处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 距离内新增的流出 ( x+dx )面的空穴数目为,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,为简便起见，假设 ，则流出 ( x+dx ) 面的总的新增空穴数目为,在 dx 距离内新增的空穴电流为,将上式从 x = 0 到 x = xd 积分，得：,,式中， 称为 电离率积分。

当 ，总电流就是原始电流，表示无雪崩倍增效应随着反向电压,，即发生,雪崩击穿由此可得发生 雪崩击穿的条件 是,3、雪崩击穿条件,,实际计算雪崩击穿电压 VB 时，常采用如下近似方法 由于 随 E 的变化很剧烈，所以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这个区域内 几乎不变，因此可以近似认为，当 达到某 临界电场 EC 时，即可满足击穿条件 ，从而发生雪崩击穿2.4.2 雪崩击穿 1、利用雪崩击穿条件计算雪崩击穿电压 对一定掺杂浓度的 PN 结，先计算出对应于各反向电压 V 的 E(x)，及与 E(x) 对应的 i (x) ，再求电离率积分当 V 增大到使该积分等于 1 时，所对应的 V 就是雪崩击穿电压 VB 2、雪崩击穿电压的近似计算方法,对于突变结，,由式(2-10)可知，,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 击穿电压也取决于低掺杂一侧，该侧的杂质浓度越低，则 VB 越高也可通过查曲线求得突变结的雪崩击穿电压 VB 。

对于线性缓变结，,或通过查曲线求得线性缓变结的雪崩击穿电压 VB 实际扩散结的击穿电压,由扩散工艺形成的实际扩散结，其杂质分布既非突变结，也非线性缓变结，而是 余误差分布 或 高斯分布，,,,,,,,,,,,,,,N,P,xj,xj,x,x,N(x),N(0),N0,0,,硅平面工艺中，常采用杂质扩散工艺制造 PN 结从表面到冶金结面的距离，称为 结深，用 xj 表示方法 1：查曲线方法 2：根据 PN 结的具体情况，分别近似看作单边突变结或线性缓变结，再用相关公式进行计算4、击穿电压的测量 常采用类似于测量正向导通电压 VF 的方法3、雪崩击穿电压与温度的关系 雪崩击穿电压具有正温系数，即温度 T 上升时，VB 增大5、结的结构对雪崩击穿电压的影响 只有满足以下条件的 PN 结，才能使用以上公式与曲线来计算击穿电压 VB 结面为一平面，即平面结,平行平面结,结面与材料表面相垂直,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改1）高阻区厚度的影响,对于同样的 |Emax | = EC ，当 N- 区足够厚时，即 W xdB 时，,。

但是当 W < xdB 时，击穿电压变为：,可见，VB < VB ,且若 W，则 VBN+,N-,P+,xdB,W,0,x,W,W,,（2） 结面曲率半径的影响 由扩散工艺所形成的 PN 结，在结面的四周和四角会形成柱面与球面结深 xj 越小，曲率半径就越小，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6、提高击穿电压的措施,采用如下图所示的台面结构,掺杂浓度要低、浓度梯度要小,低掺杂区的厚度要足够厚,结深要深,,,,2.4.3 齐纳击穿 1、隧道效应 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 区形成反向电流电子能量,电子动能,x,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,掺杂浓度恒定而反向电压变化时，随着反向电压的提高，势垒区宽度增大，但由于势垒区中的电场增强，所以隧道长度反而缩短反向电压恒定而掺杂浓度变化时，随着掺杂浓度的增加，势垒区缩短，势垒区中的电场增强，隧道长度也缩短A、B 两点间的隧道长度 d 可表为,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,随着反向电压的提高 ， 增大，隧道长度 d 缩短， 使反向电流增大。

当反向电压增大到使 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 隧道击穿由量子力学可知，隧道电流可表为,2、齐纳击穿,一般说来，当 时为雪崩击穿，当 时为齐纳击穿xd 较大时，即 N0 或 a 较小时，较易发生雪崩击穿；,,3、两种击穿的比较,雪崩击穿条件： 齐纳击穿条件：,对于硅，这分别相当于 7V 和 5V 左右 其余内容请参见表 2-3 xd 较小时，即 N0 或 a 较大时，较易发生齐纳击穿反向电压 V功率 PC = V I0 结温 Tj I0,当 Tj 不受控制的不断上升时，将导致 PN 结的烧毁，这就是 热击穿热击穿是破坏性的，不可逆的2.4.4 热击穿,式中 V 为反向电压，Tj 为 PN 结的结温式中 Ta 代表环境温度，RT 代表 热阻，其计算公式为,式中， 与 分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单位时间内散发掉的热量为,当 PC PTd 时，Tj 上升；,当 PC = PTd 时，Tj 维持不变，达到平衡；,当 PC < PTd 时，Tj 下降2-123）,（2-124）,防止热击穿最有效的措施是降低热阻 RT 。

此外，半导体材料的禁带宽度 EG 越大，则 I0 越小，热稳定性就越好，因此硅 PN 结的热稳定性优于锗 PN 结由于 PN 结的反向电流 I0 极小，所以功率损耗 PC 也极小，一般并不容易发生热击穿实际上热击穿往往发生在已经出现电击穿，因而反向电流比较大的情况下或者发生在正向时，因为正向电流不但很大，而且也有正的温度系数。