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pn结分段击穿原因

齐纳击穿

原理：在高掺杂的PN结中，由于杂质浓度很高，空间电荷区宽度很窄，当反向电压增加到一定值时，空间电荷区中的电场强度会变得非常大。在强电场作用下，共价键中的电子会被直接拉出来，形成大量的电子-空穴对，使PN结的反向电流急剧增加，从而发生击穿。这种击穿通常发生在反向电压相对较低的情况下，一般在5V以下。

分段击穿情况：对于高掺杂且存在一定杂质分布梯度的PN结，在反向电压逐渐增加的过程中，可能会因为杂质浓度的局部差异，导致空间电荷区中电场强度的分布不均匀。首先在杂质浓度最高、电场最强的区域发生齐纳击穿，随着电压进一步升高，击穿区域逐渐扩展，表现出分段击穿的现象。

具体例子：在一些用于稳压的二极管中，常利用齐纳击穿特性。例如，一个掺杂浓度较高的硅稳压二极管，其杂质浓度分布可能在不同区域存在细微差异。当反向电压施加到该二极管时，由于靠近P区和N区界面的某一侧局部区域杂质浓度相对更高，在反向电压达到3V左右时，这个局部区域的电场强度首先达到能够破坏共价键的程度，此处开始发生齐纳击穿。

现象：在这个局部区域开始出现反向电流突然增大的现象，从外部测量来看，会发现二极管的反向电流在电压达到3V时开始有一个小幅度的陡增。随着电压继续增加，其他杂质浓度稍低但也较高的区域也逐渐达到齐纳击穿条件，反向电流会持续以较大斜率上升，表现出分段式的电流增长特性，在伏安特性曲线上呈现出一段一段相对陡峭的上升线段。

雪崩击穿

原理：在一般掺杂浓度的PN结中，空间电荷区宽度相对较宽，当反向电压增大到较高值时，空间电荷区中的电场使少数载流子获得足够的能量，它们与晶格原子发生碰撞，将晶格原子中的价电子碰撞出来，产生新的电子-空穴对。这些新产生的载流子又在电场作用下继续与其他晶格原子碰撞，产生更多的电子-空穴对，像雪崩一样使反向电流急剧增大，导致PN结击穿。雪崩击穿一般发生在反向电压较高的情况，通常在6V以上。

分段击穿情况：如果PN结的结构存在一定的不均匀性，例如在制造过程中可能导致空间电荷区的宽度或电场分布存在局部差异。在反向电压升高过程中，电场强度首先在某些局部区域达到雪崩击穿的条件，形成初始的击穿通道。随着电压继续增加，其他区域的电场也逐渐达到雪崩击穿阈值，击穿区域逐步扩大，呈现出分段击穿的特性。

具体例子：在功率二极管或一些高压二极管中，容易发生雪崩击穿。以一个用于高压电路中的普通硅二极管为例，其PN结在制造过程中，由于工艺原因，空间电荷区的宽度在边缘部分和中心部分存在一定差异。当反向电压逐渐升高到80V左右时，PN结边缘部分的电场强度首先达到雪崩击穿的临界值，因为边缘部分的空间电荷区相对较窄，电场更容易集中。

现象：此时在PN结边缘会观察到有微弱的发光现象，这是由于雪崩击穿过程中载流子碰撞激发产生光子。同时，从电路中可以测量到反向电流开始快速增加。随着电压进一步升高到100V左右，PN结中心部分的电场也达到雪崩击穿条件，整个PN结全面进入雪崩击穿状态，反向电流急剧增大，发光现象也会变得更加明显，在伏安特性曲线上，电流先是在80V左右有一个较明显的上升段，然后在100V左右又有一个更陡峭的上升段，呈现出分段击穿的现象。

热击穿

原理：当PN结上的反向电压较高时，反向电流会使PN结产生一定的功耗，导致PN结温度升高。而半导体的反向饱和电流与温度呈指数关系，温度升高会使反向电流进一步增大，功耗也随之增加，进一步导致温度上升。如此恶性循环，当温度升高到一定程度时，PN结的性能会急剧恶化，最终发生热击穿。

分段击穿情况：在PN结的不同区域，由于散热条件、杂质分布等因素的差异，可能会导致各区域的温度上升速度不同。首先在散热条件较差、电流密度较大的区域出现温度过高而发生热击穿，随着热量的进一步积累和扩散，其他区域也会相继发生热击穿，从而表现出分段击穿的现象。

具体例子：在一些高频大功率晶体管的PN结中，由于工作时电流较大，容易出现热击穿。例如，一个用于射频放大的晶体管，其发射极-基极PN结在大电流工作状态下，由于基区的散热条件相对较差，且电流密度在基区边缘和中心部分分布不均匀。当晶体管工作一段时间后，基区边缘部分的温度首先升高到热击穿的临界温度。

现象：从外部可以观察到晶体管的性能开始出现不稳定，如放大倍数下降、噪声增大等。随着时间推移，基区中心部分的温度也逐渐升高到热击穿温度，晶体管的集电极电流会突然失控增大，最终导致晶体管失效。在热成像仪下可以看到，PN结先是基区边缘部分温度急剧升高，呈现出一个局部的高温区域，然后逐渐扩展到整个基区，就像分阶段逐步被“烧毁”一样，这就是热击穿的分段现象在实际中的表现。

在实际的PN