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PN结SiGe典型数据ND=1015cm-湖南大学
* 雪崩击穿 ● N P xm ● ○ E ● ○ ● ○ 二极管反向电压大,势垒区电场E大,载流子通过势垒区加速运动获得足够的动能,运动中与晶格原子碰撞,使原子外层价电子碰撞电离,产生新的电子—空穴对; 新产生的载流子在强电场中获得足够的动能与晶格原子碰撞,产生第二代电子—空穴对,连续碰撞使载流子数倍增(雪崩倍增),反向电流迅速增加; 由碰撞电离决定,杂质浓度低,势垒宽度 xm大,反向电场大,易发生雪崩击穿。 * 雪崩击穿与隧道击穿的区别 雪崩击穿与隧道击穿都在强电场作用下发生且可逆 雪崩击穿 隧道击穿 取决于碰撞电离(xm宽,载流子加速获得能量,电场强),低掺杂结 取决于隧道几率(禁带水平距离d小,xm窄,电场强),重掺杂结 光照或快速粒子轰击等可产生碰撞电离 光照等外界作用没有影响 温度升高,碰撞电离作用降低,击穿电压增加,VB6V 温度升高,禁带宽度减小,隧道几率增加,击穿电压降低,VB4V * 2 雪崩击穿电压 雪崩击穿条件 一个载流子通过势垒区碰撞电离所产生的电子空穴对数为: 实验分析表明: 一般 g = 7 Si-PN结: Ge-PN结: 电场与位置有关,则电离率也与位置有关。 电离率αi ——在电场作用下,一个载流子漂移单位 距离碰撞电离产生的电子空穴对数。 * 倍增因子M ——势垒区内碰撞电离引起电流密度增 长的倍数。 电离前的反向电流密度为 j0,倍增后的反向电流密度为 j,可推得倍增因子: 雪崩击穿的条件: 一个载流子通过整个势垒区,碰撞电离产生一对电子空穴,M→∞,即j 趋于无穷大,PN结发生雪崩击穿。 * 实验得出,倍增因子M与雪崩击穿电压VB以及外加反偏电压V 有如下关系: 系数 Si Ge N P N P n 4 2 3 6 VVB时,M = 1,即 j = j0,无碰撞电离倍增现象; V ≤ VB时,M 1,即 j j0,已有碰撞电离倍增现象,但未达到雪崩击穿; V = VB时, M→∞,即j →∞,PN结发生雪崩击穿。 * 单边突变结雪崩击穿电压 进行积分变量变换,推得雪崩击穿临界电场强度: 将 代入 , 由 求得: * 单边突变结普遍适用的经验公式为: Ge-P+N结: Si-P+N结: * 线性缓变结雪崩击穿电压 雪崩击穿条件: 电场分布函数: 进行积分变量变换,推得雪崩击穿临界电场强度: * 普遍适用的经验公式为: 由 Si-PN结: Ge-PN结: 求得: * 3 影响雪崩击穿电压的因素 杂质浓度及其分布的影响 xm x 0 E Em1 Em2 Em3 突变结 线性缓变结 p-i-n结 Em1 Em2 E x xm1 xm2 εB 0 * 外延层厚度的影响 击穿电压高,要求衬底杂质浓度低;但衬底杂质浓度低,则串联电阻大。解决此矛盾,采用外延层结构,即在杂质浓度较高的N+层上,外延生长一层杂质浓度低的N型外延层,再在外延层上制作PN结,成为P+-N-N+结构。 N+ N(外延层) P+ Wn x xm Wn2 Wn1 E EB 0 VB′ * 棱角电场的影响 在纵向扩散的同时,杂质沿表面横向扩散,使PN结的侧面近似为园柱形曲面(柱面结),尖角附近近似为球面(球面结),不再是平面结; 棱角结(柱面结与球面结)区的空间电荷区宽度比平面结区窄,电场集中,最大电场强度比平面结区高,PN结首先在棱角结区雪崩击穿。 克服棱角电场集中对雪崩击穿电压的影响,常采用的方法有:深结扩散,磨角,加分压环等。 * 常见的不良击穿现象 软击穿:IS较大且不饱和 靠背椅击穿:表面沟道漏电 管道击穿:合金点局部先击穿 蠕变:曲线变化不稳定 低压击穿:材料缺陷多 负阻击穿:热电击穿的结果 V I 0 软击穿 正常击穿 低压击穿 管道击穿 靠背椅击穿 负阻击穿 蠕变 * 第一章习题作业 第1、2、3、5、6、9题 * 思考题 为什么PN结中由于电子和空穴相互扩散形成的交界区称为空间电荷区,势垒区,耗尽区? 用费米能级概念说明半导体掺杂浓度越高,势垒高度越大。 推导PN结电流——电压关系时作了哪些假设? 泊松方程的物理意义是什么?应用泊松方程分析PN结势垒时作了哪些近似? PN结势垒厚度随外加电压如何变化?电子、空穴如何流动改变势垒厚度? 势垒电容与平行板电容有哪些相似和区别? 如何理解扩散电容?与势垒电容有何不同? 什么是雪崩击穿?什么是隧道击穿?他们的产生条件
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