§2-5 PN 结的击穿 什么叫PN结的击穿？ 击穿机理： 雪崩击穿 隧道击穿 电击穿 热击穿

2.5.1雪崩击穿 1）碰撞电离 电子（或空穴）在两次碰撞之间从电场获得的能量为： 反向电压↑ 可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，这就是 碰撞电离。 碰撞电离引起了雪崩倍增效应。

一个自由电子（或空穴）在单位距离内通过碰撞电离而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： 。 2）碰撞电离率： 与电场强烈有关，可用如下经验公式近似表示： 式中，A、B、m 为经验常数。

定义：包括雪崩倍增作用在内的总电流与进入耗尽区的原始电流之比，称为 雪崩倍增因子，记为 M 。 3）雪崩倍增因子 定义：包括雪崩倍增作用在内的总电流与进入耗尽区的原始电流之比，称为 雪崩倍增因子，记为 M 。 4) 与 的 关系 M

单位时间内流过 x 面上单位面积的空穴数目为: n 4) 与 的 关系 p M 单位时间内流过 x 面上单位面积的空穴数目为: 由于这些空穴的碰撞电离而在dx距离内新增的空穴数目为： 同理，由于电子的碰撞电离在dx距离内新增的空穴数目为：

为简便起见，假设 ， dx距离内总的新增空穴数目为: 则在 dx 距离内新增的空穴电流为： 将上式从 x = 0 到 x 积分，得： 类似可得：

上式中， 称为 电离率积分。 当 ，总电流就是原始电流，表示无雪崩倍增效应。 随着反向电压 即发生雪崩击穿。 由此可得发生 雪崩击穿 的条件是:

5）雪崩击穿电压 实际计算击穿电压VB 时，常采用如下近似方法。 由于 随 的变化很尖锐， 故对积分起主要作用的只是 电场峰值附近的很小一部分区域。在这个区域内 几乎不变，因此可以近似认为，当 达到某一 临界电场 时，即可满足击穿条件 ，从而发生雪崩击穿。

对于突变结： 已知： 由上式可见，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 击穿电压也是取决于低掺杂一侧，该侧的杂质浓度越低，VB 越高。

对于线性缓变结： 由上式可见，禁带宽度EG 越大，则击穿电压VB 越高。浓度梯度越小， VB 越高。

结面为一平面，即平面结　 　 平行平面结 结面与材料表面相平行 低掺杂中性区的厚度足够厚 如果不满足这些条件，PN结的雪崩击穿电压将发生怎样的变化？

6）结的结构对VB 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 结面与材料表面相平行 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正。

（1）低掺杂区厚度的影响 N+ N P+ xdB W x 对于同样的 ，当N 区足够厚时，即 时， 但是当 时，击穿电压变为：

当低掺杂浓度区的厚度小于空间电荷区在该区的展宽时，雪崩击穿电压随厚度的增加而增加。 N+ N P+ xdB W x 可见，VB’ <VB ,　且W↓，则VB’ ↓，W→0 时， VB’ →0 。

（2） 结面曲率半径的影响 由扩散工艺形成的PN 结，在结面 的四周和四角会形成柱面与球面。 结深 xj 越小，曲率半径就越小，电场就越集中，击穿电压VB 也就越低，且多发生在表面而不是体内。

（2） 结面曲率半径的影响 如何避免曲面半径的影响 提高击穿电压的措施： 掺杂浓度要低、 低掺杂区的厚度要足够厚、 结深要深、 采用台面结构或场效应环结构。

隧道效应是指：由于电子具有波动性，可有一定的几率穿过势垒。势垒越薄，隧道效应就越明显。 2.5.2 齐纳击穿（隧道击穿） 隧道效应是指：由于电子具有波动性，可有一定的几率穿过势垒。势垒越薄，隧道效应就越明显。 电子能量 d 电子动能 x 由于存在隧道效应，使价带中不具有EG 能量的A点电子可有一定的几率穿过隧道到达导带中的B点，从而进入N 区形成反向电流。经分析，A、B 两点间的隧道长度 d 可表为:

由量子力学可知，隧道电流可表为： 随着反向电压的提高 ，　　 增大，隧道长度 d 减薄， 使反向电流增大。当反向电压增大到使　 达到临界值时，d 变的足够小，使反向电流急剧增大，这种现象就称为 齐纳击穿，或隧道击穿。 Si 和 Ge PN结的齐纳击穿临界电场分别为 1200 kV/cm 和200 kV/cm 。

2.5.3 两种击穿电压的比较 雪崩击穿条件： 齐纳击穿条件： xd 较大时，即N0 或 a 较小时，较易发生雪崩击穿， xd 较小时，即N0 或 a 较大时，较易发生齐纳击穿。 一般说来，当 时为雪崩击穿，当 时为齐纳击穿。 对于 Si ，这分别相当于 7V 和 5V 左右。

2.5.4 热击穿 上式中V 为反向电压，Tj 为PN 结的结温。 反向电压 V↑ →功率P =V I0 ↑ →结温Tj ↑ → I0 ↑ 当 Tj 不受控制的不断上升时，将导致PN 结的烧毁，这就是 热击穿。热击穿是破坏性的，不可逆的。

单位时间内散发掉的热量为： 式中 Ta 代表环境温度，RT 代表 热阻，其计算公式为： 式中，　 与K 分别为材料的热阻率与热导率，L 与 A 分别代表传热途径上的长度和横截面积。 当 P > Pd 时，Tj 上升； 当 P < Pd 时，Tj 下降； 当 P ＝ Pd 时，Tj 维持不变，达到平衡。

以下讨论两种情形。 （1） RT 较大，Pd ～Tj 直线的斜率较小，P 始终大于Pd ， Tj 不断上升，最终发生热击穿。 P P B A P(Ta) P(Ta) Pd Tj Pd Tj Ta Ta （2）RT 较小， Pd～Tj 直线的斜率较大，与曲线 P ～Tj 有两个交点 A 与 B 。在点A与点B，均有P = Pd 。在点 A ， 有： ，故点A是稳定平衡点。 而在点B， ，故点 B 是不稳定平衡点。

已知 ，则 ，将其代入 中， 可得稳定平衡的条件为： 可见，防止热击穿的最有效的措施是降低热阻 RT 。 此外，材料的EG 越大，则 I0 就越小，热稳定性就越好，所以Si PN 结的热稳定性优于 Ge PN结。