pn結(jié)擊穿電壓-第十一次課

§6.5pn結(jié)的擊穿pn結(jié)的擊穿(Breakdown)：當(dāng)加到反向pn結(jié)上的電壓足夠高時(shí)，pn結(jié)反向飽和電流會(huì)突然增大，此時(shí)的電壓稱反向擊穿電壓VB。電擊穿、熱擊穿。pn結(jié)電擊穿有兩種重要的機(jī)制：雪崩倍增和隧道效應(yīng)。一、雪崩（avalanche）倍增pn結(jié)在反向偏置下，外加電場(chǎng)的方向和空間電荷區(qū)自建電場(chǎng)方向一致，空間電荷區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度將隨反向電壓的增加而增加。在空間電荷區(qū)電場(chǎng)的作用下，空穴將向電源負(fù)極移動(dòng)，電子向電源正極移動(dòng)；碰撞電離：當(dāng)P區(qū)的電子向電源正極移動(dòng)的過(guò)程中穿越勢(shì)壘時(shí)，將受到勢(shì)壘電場(chǎng)的加速。反向電壓越高，勢(shì)壘區(qū)中電場(chǎng)越強(qiáng)；若電場(chǎng)足夠強(qiáng)，電子獲得了足夠的動(dòng)能和原子碰撞，將晶格的共價(jià)鍵破壞，產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，雪崩倍增：這些新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)再?gòu)碾妶?chǎng)中獲得動(dòng)能，進(jìn)一步產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。

雪崩擊穿特點(diǎn)1.空間電荷區(qū)的xD要有一定寬度；如果空間電荷區(qū)太窄（小于一個(gè)平均自由程），既使是載流子的能量再高，電離能力再?gòu)?qiáng)，不發(fā)生碰撞也無(wú)法產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象。單邊突變結(jié)的擊穿電壓主要由低摻雜邊的摻雜濃度決定。2.雪崩擊穿電壓較高，擊穿曲線比較陡直（硬擊穿）；一般Ge、Si器件，雪崩擊穿電壓在6Eg/q以上，而且擊穿特性較硬（所謂硬擊穿）。3.

雪崩擊穿的擊穿電壓VB

具有正溫度系數(shù)。隨著溫度的提高，散射增強(qiáng)，載流子的平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間減少，導(dǎo)致動(dòng)能不易積累，使電離率下降，擊穿電壓提高。雪崩擊穿電壓確定了大多數(shù)二極管反向偏壓的上限，也確定了雙極晶體管集電極電壓以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管漏電壓的上限。二、隧道擊穿（Tunneling)原理：在反偏電壓下，P區(qū)價(jià)帶頂附近電子能量可以升高到超過(guò)N區(qū)導(dǎo)帶頂電子的能量，此時(shí)，若是電場(chǎng)較強(qiáng)，空間電荷區(qū)寬度（隧道長(zhǎng)度）較短，則電子的隧穿幾率就大增加，使得P區(qū)價(jià)帶電子直接穿過(guò)禁帶而達(dá)到N區(qū)導(dǎo)帶底，形成很大的反向電流。

隧道擊穿的特點(diǎn)1.xD

越窄越有利于隧道效應(yīng)發(fā)生，VB

越??；所以高摻雜突變結(jié)，一般容易發(fā)生隧道擊穿。2.隧道擊穿的擊穿特性是緩變的（軟擊穿）；隧道擊穿不是在某個(gè)電壓下驟然發(fā)生的，而是隨著反向電壓增加，電子的隧道穿透幾率逐漸增加，反向電流也就逐漸增加，因而I-V特性是緩變的，所謂“軟擊穿”3.隧道擊穿的擊穿電壓VB

是負(fù)溫度系數(shù)的。隨著溫度升高，半導(dǎo)體的帶隙Eg

減少，隧道長(zhǎng)度相應(yīng)減少，電子的穿透幾率相應(yīng)增大，因而VB

隨溫度升高而減少?！?.6隧道pn結(jié)簡(jiǎn)介一、現(xiàn)象當(dāng)pn結(jié)的P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度都很高時(shí)(1019cm-3~1020cm-3)，其I-V特性出現(xiàn)：

1.正向時(shí)，在小的正向偏壓下，電流開(kāi)始隨電壓上升而上升，達(dá)到最大電流Ip之后，下降到Iv，然后才與普通pn結(jié)擴(kuò)散電流一樣隨正向電壓的升高而指數(shù)上升。2.反向時(shí)，反向電流隨反向電壓的增加而迅速增加。

二、原理當(dāng)P區(qū)、N區(qū)都是重?fù)诫s的，費(fèi)米能級(jí)分別進(jìn)入了N區(qū)的導(dǎo)帶和P區(qū)的價(jià)帶。同時(shí)，勢(shì)壘區(qū)較窄，電場(chǎng)較強(qiáng)；這就有利于發(fā)生隧穿，當(dāng)加上外偏壓時(shí)，兩邊出現(xiàn)一側(cè)有電子而另一側(cè)相同能態(tài)上有空位的狀態(tài)，這時(shí)就發(fā)生隧道效應(yīng)由于隧道二極管是利用多子工作的，結(jié)的兩側(cè)不會(huì)有少子積累，而且隧道效應(yīng)是一量子躍遷過(guò)程，電子穿過(guò)勢(shì)壘極其迅速，不受渡越時(shí)間跟制，因而隧道二極管可以在極高頻率下工作。

反向二極管（BackwardDiode）10、（1）寫出理想PN結(jié)的I-V特性，即電流密度J與電壓V的關(guān)系方程。分別在直角線性坐標(biāo)系和半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，示意畫(huà)出PN結(jié)電流－電壓特性曲線。(2)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的曲線上，如何將正向小電壓下勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流和反向電壓下勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流產(chǎn)生的作用反映在曲線上？簡(jiǎn)單解釋之。(3）如果PN結(jié)電流中，同時(shí)考慮擴(kuò)散電流和復(fù)合電流時(shí)，即采用理想因子m，寫出含有理想因子m的J-V特性方程，并描述一種測(cè)量m的實(shí)驗(yàn)方法。(4)分別分析PN結(jié)加正向偏置和反向偏置，對(duì)PN結(jié)邊界處少子濃度的改變，以此論述，PN結(jié)具有正向?qū)ê头聪蝻柡吞匦浴?/p>

（2008）（32分）1）2）3）8、寫出n型樣品中，小注入條件下，少子空穴的連續(xù)性方程。寫出空穴不隨時(shí)間變化時(shí)（穩(wěn)態(tài)）、不考慮電場(chǎng)、無(wú)光照情況下，少子空穴的方程。（2008）10、（16分）對(duì)于一個(gè)PN結(jié)二極管，論述如何判斷加正向電壓后，其電流是以擴(kuò)散電流為主還是以空間電荷區(qū)復(fù)合電流為主？（2007）

8、求解得通解：求解得通解：擴(kuò)散長(zhǎng)度10、11、（20分）PN結(jié)的N型一側(cè)摻雜濃度為ND，P型一側(cè)摻雜濃度為NA，采用雜質(zhì)飽和電離近似，證明PN結(jié)的接觸電勢(shì)差為：

ni是本征載流子濃度另有一N+N結(jié)，摻雜濃度分別為N+，N，證明此時(shí)N+N結(jié)的接觸電勢(shì)差為：比較兩者的大小，并解釋其內(nèi)在的物理機(jī)理。

（2007）11、p-n結(jié)接觸電勢(shì)差由突變平衡p-n結(jié)的能帶圖，勢(shì)壘高度qVD補(bǔ)償了p區(qū)與n區(qū)的費(fèi)米能級(jí)之差

n區(qū)與p區(qū)的平衡電子濃度分別為：結(jié)接觸電勢(shì)差與摻雜濃度、溫度、禁帶寬度等有關(guān)

10、（24分）一個(gè)硅PN結(jié)（T=300K），P區(qū)的摻雜濃度為NA＝1x1015cm-3，N區(qū)的摻雜濃度ND＝3NA，使用雜質(zhì)全部電離和載流子全部耗盡假設(shè)，(1)計(jì)算室溫下PN結(jié)的接觸電勢(shì)差VD；(2)定性畫(huà)出PN結(jié)的電場(chǎng)分布、電荷分布。(3)若溫度T增加、材料的禁帶寬度Eg增加，VD將分別如何變化？(4)若此結(jié)構(gòu)是N+-N結(jié)，即N+區(qū)一側(cè)ND+=3NA