《稳态电压下的击穿》课件

稳态电压下的击穿导言重要性理解稳态电压下的击穿现象对于设计可靠的电子器件至关重要。挑战击穿会导致器件失效、功能故障甚至安全问题。电子管与半导体器件电子管和半导体器件是现代电子技术的基础。它们都能够控制电流，但工作原理不同。电子管利用真空中的电子流动来控制电流，而半导体器件利用半导体材料中的电子和空穴流动来控制电流。电子管体积大、能耗高、寿命短，逐渐被半导体器件取代。电气绝缘性阻止电流流动绝缘材料用于隔离导体，阻止电流在其间流动，确保安全和可靠性。防止短路绝缘层可以有效防止导体之间发生短路，避免电气设备故障。保护人身安全绝缘材料可防止人接触高压部件，保障操作人员的安全。击穿现象当施加在电介质或半导体器件上的电压超过其承受能力时，会导致电介质或半导体材料的电气绝缘性失效，电流急剧增加，并发生击穿现象。击穿现象的出现会对器件造成不可逆的损坏，影响器件的性能和可靠性。普通击穿原理1电场强度在强电场作用下，电子获得足够的能量，2电离与原子发生碰撞，导致原子电离，3雪崩产生更多自由电子，形成雪崩效应，4击穿最终导致材料的绝缘性能丧失，普通击穿是材料在强电场作用下发生的电离过程，导致电流急剧增大，材料绝缘性能失效。该过程通常伴随着电子雪崩效应，即电子在电场中加速，与原子碰撞，产生更多自由电子，形成连锁反应，最终导致击穿。稳态电压下的击穿1电压稳定击穿发生在稳态电压下，意味着电压值在一段时间内保持不变。2介质承受即使电压稳定，但超过介质材料的击穿强度，就会发生击穿现象。3破坏性击穿会造成器件损坏，影响电路正常工作，甚至引起火灾或爆炸。击穿电压的定义1击穿电压是指在给定条件下，使绝缘材料或器件发生击穿所需的最小电压。影响击穿电压的因素几何参数电极间距、形状和尺寸等几何因素会影响电场分布和击穿电压。材料特性材料的介电强度、导电率和缺陷密度等特性会影响击穿电压。电压特性施加的电压幅值和波形会影响击穿电压，例如直流电压比交流电压更容易导致击穿。温度特性温度会影响材料的介电强度和电导率，从而影响击穿电压。几何参数间隙距离间隙距离是指两个电极之间的距离，越小，击穿电压越低。电极形状电极的形状影响电场分布，尖角或曲率变化会导致局部电场增强，降低击穿电压。面积大小电极的面积越大，击穿电压越高，因为击穿需要更多能量。材料特性介电强度材料的介电强度是指材料在电场作用下发生击穿所需的最小电场强度。电导率材料的电导率是指材料导电的能力，电导率越高，材料越容易导电。缺陷密度材料中的缺陷，例如晶格缺陷、杂质等，会降低材料的介电强度，从而影响击穿电压。电压特性正向电压当施加的电压低于击穿电压时，器件保持其绝缘特性。反向电压当施加的电压达到击穿电压时，器件的绝缘特性崩溃，电流急剧增加。击穿电压引起器件击穿的最小电压，通常是一个特定值。温度特性1温度效应温度会显著影响击穿电压，通常随着温度升高，击穿电压下降。2热载流子高温下，热载流子数量增加，更容易引发雪崩效应，导致击穿电压下降。3材料性质不同材料的温度系数不同，影响着温度对击穿电压的影响程度。分析方法静电场强分析利用有限元方法计算电场分布，确定击穿发生的区域和场强。热解析分析分析器件内部的温度分布，确定击穿发生的温度和热应力。电子雪崩机制分析电场对电子加速的影响，计算电子雪崩发生的条件。离子轰击机制分析离子运动对器件材料的破坏，确定离子轰击发生的条件。静电场强分析1电场周围空间存在的力场2场强电场力作用于单位正电荷上的力3静电场不随时间变化的电场热解析分析1热传导电子器件中的热量通过热传导的方式从发热部位传递到周围环境。2热对流热量通过流体（例如空气或冷却液）的流动进行传递，从而降低器件的温度。3热辐射器件通过电磁波的形式向周围环境辐射热量，从而实现散热。电子雪崩机制电子雪崩原理高能电子撞击晶格原子，产生新的电子空穴对，这些新的电子也获得能量，继续撞击原子，形成雪崩效应，导致电流急剧增加。雪崩倍增因子描述雪崩效应中产生的新载流子数量与初始载流子数量的比率。雪崩倍增因子越大，击穿电压越低。离子轰击机制离子轰击带电离子在电场中加速，撞击固体材料的原子能量传递离子能量转移给原子，导致原子被激发或电离晶格损伤高能离子轰击会破坏晶格结构，造成缺陷半导体器件中的击穿半导体器件中的击穿是由于电场强度过高导致器件失效的现象。当电场强度超过器件的击穿电压时，器件将无法正常工作，并可能被损坏。击穿是半导体器件工作中不可忽视的问题，它会影响器件的可靠性和寿命。了解和控制击穿现象对于设计可靠的半导体器件至关重要。p-n结的击穿反向偏置当p-n结反向偏置时，空穴从p区向n区移动，电子从n区向p区移动，导致扩散电流减小，漂移电流增大，从而形成反向饱和电流。雪崩击穿当反向电压足够大时，少数载流子在电场中加速，并与晶格原子发生碰撞，产生新的电子-空穴对，这些新的载流子又被加速，重复碰撞过程，导致电流急剧增加。齐纳击穿当反向电压足够大时，电场强度足以使价带中的电子跃迁到导带，导致电流急剧增加。MOS管的击穿1栅极氧化层击穿栅极电压过高会导致栅极氧化层击穿，形成漏电流，影响器件性能。2漏极-源极击穿漏极-源极电压过高会导致漏极-源极间击穿，造成器件失效。3雪崩击穿高电压下，载流子能量增加，发生雪崩效应，导致漏电流增大。功率器件中的击穿雪崩击穿当电压升高时，载流子获得的能量增加，导致电子雪崩现象，电流急剧上升，造成器件击穿。二极管击穿在反向偏置电压下，当电压超过击穿电压，二极管内部发生雪崩击穿，导致电流急剧上升。MOSFET击穿当栅极电压过高或漏源电压过高时，MOSFET会发生击穿，造成器件损坏。实际应用中的考虑器件电压设计裕度考虑各种因素，例如温度变化、负载变化和老化，以确保器件在预期工作条件下不会发生击穿。热管理设计采用合适的散热措施，例如散热器、风扇或液体冷却，以控制器件工作温度，防止因过热导致的击穿。结构优化设计优化器件的几何结构，例如电极形状、间隙大小和材料选择，以提高击穿电压和可靠性。可靠性分析通过测试和仿真，评估器件在不同工作条件下的可靠性，以确保其在预期寿命内正常工作。器件电压设计裕度安全保障足够的裕度能有效防止器件在正常工作电压下发生击穿，确保系统安全可靠运行。性能提升裕度可以提高器件在恶劣环境或工作条件下的抗干扰能力，提升器件的整体性能。稳定性增强适当的裕度可以防止器件在工作过程中因电压波动或其他因素造成性能下降，提升系统稳定性。热管理设计散热器散热器可有效地将热量从器件转移到周围环境中。常见的散热器类型包括风冷散热器和水冷散热器。热界面材料热界面材料（TIM）用于填充器件和散热器之间的间隙，以提高热传导效率。常用的TIM包括导热硅脂和导热垫片。风扇风扇用于强制空气流动，增强散热效果。选择风扇时应考虑风量、风压和噪音水平。结构优化设计1材料选择选用耐击穿强度高、介电常数低的材料，如氧化铝陶瓷、氮化硅等，以提高器件的抗击穿能力。2几何形状优化器件的几何形状，例如采用圆角、斜面等设计，以降低电场集中程度，避免局部击穿。3工艺优化采用先进的工艺，例如深硅刻蚀、薄膜沉积等，以提高器件的稳定性和可靠性，降低击穿风险。可靠性分析可靠性分析对于评估器件的耐用性和寿命至关重要。通过各种测试和模拟方法，可以预测器件的可靠性指标。可靠性分析结果可以为器件设计和制造提供改进方向。小结击穿电压了解材料、几何形状和温度等因素对击穿电压的影响。击穿机制电子雪崩和离子轰击是导致器件击穿的主要机制。器件设计在设计半导体器件时要考虑击穿风险