微电子器件（2-4）.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,在耗尽区中，反向电压 就会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，这叫做 碰撞电离。,电子（或空穴）在两次碰撞之间从电场 E 获得的能量为,1、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 in（或 ip）。,i 与电场 E 强烈有关，如下图所示,可用如下经验公式近似表示,或,2、雪崩倍增因子 包括碰撞电离作用在内的流出耗尽区的总电流与未发生碰撞电离时的原始电流之比，称为 雪崩倍增因子，记为 M。,P 区,N 区,原始电流：,因碰撞电离而增加的电流：,所以：,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,P 区,N 区,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密度为,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 J0，表示无雪崩倍增效应。,随着反向电压,，这时发生,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,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。,由于 i 随 E 的变化很剧烈，所以 对积分起主要作用的 只是电场峰值附近很小一部分区域。这个区域内 Emax 几乎不变，因此可以近似认为，当 Emax 达到某 临界电场 EC 时，即满足击穿条件，从而发生雪崩击穿。,2、雪崩击穿电压的近似计算方法,EC 与结的形式和掺杂浓度稍微有关，硅 PN 结的典型值为,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，,可见，禁带宽度 EG 越大，则击穿电压 VB 越高；杂质浓度梯度 a 越小，VB 越高。,或通过查曲线求得线性缓变结的雪崩击穿电压 VB。,实际 PN 结的击穿电压,由扩散或离子注入工艺形成的实际 PN 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，常采用杂质扩散或离子注入工艺制造 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：根据实际 PN 结的具体情况，分别近似看作单边突变结或线性缓变结，再用相应公式进行计算。,当结两侧掺杂浓度相差很小，N0 很大，a 很小，xj 很大，xd 很小（反向电压很小或正向电压下）时，则可近似看作线性缓变结。,当结两侧掺杂浓度相差很大，N0 很小，a 很大，xj 很小，xd 很大（反向电压很大）时，可近似看作单边突变结。,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 VB。,N+,N-,P+,xdB,W,0,x,W,