半导体器件物理 第二章幻灯片.ppt

发生P-N结击穿的机理主要有以下几种 雪崩击穿 隧道击穿 热电击穿(热击穿) 2.10 P-Ｎ结击穿 ( ) G I I M I + = 0 （ 2 - 123 ） 雪崩倍增因子 ( ) ò - o W dx x M 0 1 1 a （ 2 - 124 ） 击穿判据 （电离积分） ( ) 1 0 = ò dx x W a （ 2 - 125 ） 电离系数的经验公式 ú ú ? ù ê ê ? é ÷ ÷ ? ? ? ? è ? - = m B A e a exp （ 2 - 126 ） 式中 A 和 B 是材料常数。对于硅， 1 5 10 9 - ′ = cm A ， cm V B 6 10 8 . 1 ′ = 。对于 2 , , , 1 , , = = m GaP GaAs m Si Ge 。 电场的大小则要由对每个结解泊松方程进行计 算。 2.10 P-Ｎ结击穿 2.10 P-Ｎ结击穿 例题： 计算硅单边突变结的击穿电压。 解：（ 2.14 ）式中 n x 换成 W ，再代入式（ 2 - 126 ）得到 ÷ ? ? ? è ? - - = W x B A m 1 exp e a （ 2 - 127 ） 注意在公式（ 2 - 14 ） ÷ ÷ ? ? ? ? è ? - = n m x x 1 e e （ 2 - 14 ） 中。最大电场在 0 = x 处，大多数雪崩倍增发生在那里。作为近似计算，可采 用级数展开以简化指数 项，并考虑到对于 x ~ 0 ，有 W x W x W x + ? + + = - 1 1 1 1 L （ 2 - 128 ） 把（2-127）和（2-128）式代入（2-125）式并求积分得到 把（2-15）和（2-23）式一起用于（2-129）式时，就得到雪崩击穿电压与轻掺杂一边杂质浓度的关系。 （2-129） 2.10 P-Ｎ结击穿 隧道击穿 隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿机理。也称为齐纳击穿。 对于一定的半导体材料，势垒区中的电场越大，或隧道长度越短，则电子穿过隧道的几率越大。 一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的。 杂质浓度高时，反向偏压不高的情况就能发生隧道击穿，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。 小结 雪崩效应和隧道效应引起的击穿统称为电击穿。 热电击穿/热击穿 当P-N结上施加反向电压时，流过P-N结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和电流密度增大。 如此反复循环下去，最后使Js无限增长而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。 对于禁带宽度比较小的半导体如锗P-N结，由于反向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很值得重视。 2.5隧道电流 图2-12 各种偏压条件下隧道结的能带图 2.5隧道电流 若掺杂密度稍予减少，使正向隧道电流可予忽略，电流?电压曲线则将被改变成示于图2-14b中的情形。这称为反向二极管。 图2-13 对应于图2-12正偏 压隧道结的势垒 （a）江崎二极管 电流-电压特性 （b）反向二极管 电流-电压特性 图2-14 2.5隧道电流 隧道二极管的特点和应用上的局限性 （1）隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过结的多数 载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪声。 （2）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子的影响小，使隧道二 级管的工作温度范围大。 （3）由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子 渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作。这种优越的性能，使隧道 二级管能够应用于振荡器，双稳态触发器和单稳多谐振荡器，高速逻辑电 路以及低噪音微波放大器。 由于应用两端有源器件的困难以及难以把它们