pn结击穿电压-第十一次课

§6.5pn结的击穿pn结的击穿(Breakdown)：当加到反向pn结上的电压足够高时，pn结反向饱和电流会突然增大，此时的电压称反向击穿电压VB。电击穿、热击穿。pn结电击穿有两种重要的机制：雪崩倍增和隧道效应。一、雪崩（avalanche）倍增pn结在反向偏置下，外加电场的方向和空间电荷区自建电场方向一致，空间电荷区的电场强度将随反向电压的增加而增加。在空间电荷区电场的作用下，空穴将向电源负极移动，电子向电源正极移动；碰撞电离：当P区的电子向电源正极移动的过程中穿越势垒时，将受到势垒电场的加速。反向电压越高，势垒区中电场越强；若电场足够强，电子获得了足够的动能和原子碰撞，将晶格的共价键破坏，产生一个电子-空穴对，雪崩倍增：这些新产生的电子-空穴对再从电场中获得动能，进一步产生电子-空穴对。

雪崩击穿特点1.空间电荷区的xD要有一定宽度；如果空间电荷区太窄（小于一个平均自由程），既使是载流子的能量再高，电离能力再强，不发生碰撞也无法产生雪崩现象。单边突变结的击穿电压主要由低掺杂边的掺杂浓度决定。2.雪崩击穿电压较高，击穿曲线比较陡直（硬击穿）；一般Ge、Si器件，雪崩击穿电压在6Eg/q以上，而且击穿特性较硬（所谓硬击穿）。3.

雪崩击穿的击穿电压VB

具有正温度系数。随着温度的提高，散射增强，载流子的平均自由运动时间减少，导致动能不易积累，使电离率下降，击穿电压提高。雪崩击穿电压确定了大多数二极管反向偏压的上限，也确定了双极晶体管集电极电压以及场效应晶体管漏电压的上限。二、隧道击穿（Tunneling)原理：在反偏电压下，P区价带顶附近电子能量可以升高到超过N区导带顶电子的能量，此时，若是电场较强，空间电荷区宽度（隧道长度）较短，则电子的隧穿几率就大增加，使得P区价带电子直接穿过禁带而达到N区导带底，形成很大的反向电流。

隧道击穿的特点1.xD

越窄越有利于隧道效应发生，VB

越小；所以高掺杂突变结，一般容易发生隧道击穿。2.隧道击穿的击穿特性是缓变的（软击穿）；隧道击穿不是在某个电压下骤然发生的，而是随着反向电压增加，电子的隧道穿透几率逐渐增加，反向电流也就逐渐增加，因而I-V特性是缓变的，所谓“软击穿”3.隧道击穿的击穿电压VB

是负温度系数的。随着温度升高，半导体的带隙Eg

减少，隧道长度相应减少，电子的穿透几率相应增大，因而VB

随温度升高而减少。§6.6隧道pn结简介一、现象当pn结的P区和N区的掺杂浓度都很高时(1019cm-3~1020cm-3)，其I-V特性出现：

1.正向时，在小的正向偏压下，电流开始随电压上升而上升，达到最大电流Ip之后，下降到Iv，然后才与普通pn结扩散电流一样随正向电压的升高而指数上升。2.反向时，反向电流随反向电压的增加而迅速增加。

二、原理当P区、N区都是重掺杂的，费米能级分别进入了N区的导带和P区的价带。同时，势垒区较窄，电场较强；这就有利于发生隧穿，当加上外偏压时，两边出现一侧有电子而另一侧相同能态上有空位的状态，这时就发生隧道效应由于隧道二极管是利用多子工作的，结的两侧不会有少子积累，而且隧道效应是一量子跃迁过程，电子穿过势垒极其迅速，不受渡越时间跟制，因而隧道二极管可以在极高频率下工作。

反向二极管（BackwardDiode）10、（1）写出理想PN结的I-V特性，即电流密度J与电压V的关系方程。分别在直角线性坐标系和半对数坐标系中，示意画出PN结电流－电压特性曲线。(2)在半对数坐标系中的曲线上，如何将正向小电压下势垒区复合电流和反向电压下势垒区产生电流产生的作用反映在曲线上？简单解释之。(3）如果PN结电流中，同时考虑扩散电流和复合电流时，即采用理想因子m，写出含有理想因子m的J-V特性方程，并描述一种测量m的实验方法。(4)分别分析PN结加正向偏置和反向偏置，对PN结边界处少子浓度的改变，以此论述，PN结具有正向导通和反向饱和特性。

（2008）（32分）1）2）3）8、写出n型样品中，小注入条件下，少子空穴的连续性方程。写出空穴不随时间变化时（稳态）、不考虑电场、无光照情况下，少子空穴的方程。（2008）10、（16分）对于一个PN结二极管，论述如何判断加正向电压后，其电流是以扩散电流为主还是以空间电荷区复合电流为主？（2007）

8、求解得通解：求解得通解：扩散长度10、11、（20分）PN结的N型一侧掺杂浓度为ND，P型一侧掺杂浓度为NA，采用杂质饱和电离近似，证明PN结的接触电势差为：

ni是本征载流子浓度另有一N+N结，掺杂浓度分别为N+，N，证明此时N+N结的接触电势差为：比较两者的大小，并解释其内在的物理机理。

（2007）11、p-n结接触电势差由突变平衡p-n结的能带图，势垒高度qVD补偿了p区与n区的费米能级之差

n区与p区的平衡电子浓度分别为：结接触电势差与掺杂浓度、温度、禁带宽度等有关

10、（24分）一个硅PN结（T=300K），P区的掺杂浓度为NA＝1x1015cm-3，N区的掺杂浓度ND＝3NA，使用杂质全部电离和载流子全部耗尽假设，(1)计算室温下PN结的接触电势差VD；(2)定性画出PN结的电场分布、电荷分布。(3)若温度T增加、材料的禁带宽度Eg增加，VD将分别如何变化？(4)若此结构是N+-N结，即N+区一侧ND+=3NA