齐纳二极管击穿特性研究

燕山大学 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 题目题目 齐纳二极管击穿特性研究齐纳二极管击穿特性研究 学院 系 学院 系 年级专业 年级专业 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 教师职称 教师职称 燕山大学课程设计 论文 任务书燕山大学课程设计 论文 任务书 院 系 理学院 基层教学单位 09 电子信息科学与技术二班 学 号090108040035学生姓名专业 班级 09 电子信息科学 与技术二班 设计题目 齐纳二极管击穿特性研究 设 计 技 术 参 数 设计参数 稳定电压 Z V 最大耗散功率 ZM P 稳定电流 Z I 动态电阻 Z R 稳定电压的温度系数 Z V Z V 设 计 要 求 了解二极管的各项特性及齐纳二极管的稳压机理 利用 Silvaco 软件对齐纳二极管进行仿真 准确的到其稳压特性曲线 研究扩散温 度 T 和扩散时间 time 对其稳定电压的影响并的出结论 Z V 工 作 量 二十个工作日左右 每个工作日三到五小时 工 作 计 划 2012 10 22 2012 10 28 实验选题 2012 10 29 2012 11 04 实验操作 2012 11 05 2012 11 11 实验论文 参 考 资 料 1 刘恩科 半导体物理学 第七版 电子工业出版社 2 SILVACO ATLAS 操作文档 中山大学微电子实验室 3 Stephen A Campbell 微电子制造科学原理与工程技术 第二版 电子 工业出版社 2004 2 指导教师签字基层教学单位主任签字 说明 此表一式四份 学生 指导教师 基层教学单位 系部各一份 年 月 日 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 3 页 共 13 页 齐纳二极管及其特性的研究齐纳二极管及其特性的研究 摘摘 要 要 齐纳二极管 又叫稳压二极管 是一种硅材料制成的面接触型晶体二极 管 简称稳压管 此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半 导体器件 稳压管在反向击穿时 在一定的电流范围内 或者说在一定功率损耗 范围内 端电压几乎不变 表现出稳压特性 因而广泛应用于稳压电源与限幅电 路之中 稳压二极管是根据击穿电压来分档的 因为这种特性 稳压管主要被作为稳 压器或电压基准元件使用 其伏安特性见图 1 稳压二极管可以串联起来以便在较高 的电压上使用 通过串联就可获得更多的稳定电压 关键词 关键词 齐纳二极管 反向击穿 Silvaco 模拟 Zener diode breakdown characteristics Abstract The zener diodes also known as Zener diode is made of a silicon material surface contact diode referred to as the regulator This diode is a until the critical reverse breakdown voltage has a high resistance of the semiconductor device Regulator in the reverse breakdown a certain current range or within a certain power loss range the terminal voltage is almost unchanged showing the constant voltage characteristic which is widely applied to the regulated power supply and the limiter circuit being Zener diode sub file is based on the breakdown voltage because of this characteristic the regulator is mainly used as a regulator or a voltage reference element the voltage characteristics shown in Figure 1 the Zener diode may be strung together in order to the high voltage is used more stable voltage can be obtained through the series Key word Zener diode Reverse breakdown Silvaco simulation 1 实验原理实验原理 1 半导体二极管的伏安特性 晶体二极管为一个由 P 型半导体和 N 型半导体形成的 PN 结 在其界面处两 侧形成空间电荷层 并建有自建电场 当不存在外加电压时 由于 PN 结两边载 流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态 当外界有正向电压偏置时 外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散 电流增加引起了正向电流 当外界有反向电压偏置时 外界电场和自建电场进一 步加强 形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流 0 I 当外加的反向电压高到一定程度时 PN 结空间电荷层中的电场强度达到临界值产 生载流子的倍增过程 产生大量电子空穴对 产生了数值很大的反向击穿电流 称为二极管的击穿现象 二极管具有单向导电性 可用其伏安特性来描述 所谓伏安特性 就是指加 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 4 页 共 13 页 到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线 如下图所示 这个特性曲 线可分为正向特性和反向特性两个部分 图 1 半导体的伏安特性曲线 1 正向特性 当正向电压很低时 正向电流几乎为零 这是因为外加电压的电场还不能克 服 PN 结内部的内电场 内电场阻挡了多数载流子的扩散运动 此时二极管呈现高 电阻值 基本上还是处于截止的状态 如图 1 所示 正向电压超过二极管开启电 压 又称为死区电压 时 电流增长较快 二极管处于导通状态 开启电压与 on U 二极管的材料和工作温度有关 通常硅管的开启电压为 A 点 锗管为VU5 0 on A 点 二极管导通后 二极管两端的导通压降很低 硅管为 0 6 0 7 V1 0Uon V 锗管为 0 2 0 3 V 如图 1 中 B B 点 2 反向特性 在分析 PN 结加上反向电压时 已知少数载流子的漂移运动形成反向电流 因 少数载子数量少 且在一定温度下数量基本维持不变 因此 厦向电压在一定范 围内增大时 反向电流极微小且基本保持不变 等于反向饱和电流 S 3 击穿特性 当反向电压增大到时 外电场能把原子核外层的电子强制拉出来 使半 BR U 导体内载流子的数目急剧增加 反向电流突然增大 二极管呈现反向击穿的现象 如图 1 中 D D 点 二极管被反向击穿后 就失去了单向导电性 二极管反向击穿 又分为电击穿和热击穿 利用电击穿可制成稳压管 即齐纳二极管 而热击穿将 引起电路故障 使用时一定要注意避免二极管发生反向热击穿的现象 2 齐纳二极管原理及特性 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 5 页 共 13 页 1 齐纳击穿和雪崩击穿 在通常情况下 反向偏置的 PN 结中只有一个很小的电流 这个漏电流一直保 持一个常数 直到反向电压超过某个特定的值 超过这个值之后 PN 结突然开始有 大电流导通 如图 这个突然的反向导通就是反向击穿 如果没有一些外在的措 施来限制电流的话 它可能导致器件的损坏 反向击穿通常设置了固态器件的最 大工作电压 然而 如果采取适当的预防措施来限制电流的话 反向击穿的结能 作为一个非常稳定的参考电压 图 2 击穿示意图 在重扩散的 PN 结中 耗尽区很窄 所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成 很强的电场 当反向电压大到一定值时 强电场足以将耗尽区内中性原子的价电 子直接拉出共价键 产生大量电子 空穴对 使反向电流急剧增大 这种击穿称 为齐纳击穿或场致击穿 导致反向击穿的另一个机制是雪崩击穿 Avalanche Multiplication 材料掺杂浓度较低的 PN 结中 当 PN 结反向电压增加时 空间电荷区中的电 场随着增强 这样通过空间电荷区的电子和空穴 就会在电场作用下 使获得的 能量增大 在晶体中运行的电子和空穴将不断的与晶体原子发生碰撞 通过这样的 碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来 产生自由电子 空穴对 新产生的载 流子在电场作用下撞出其他价电子 又产生新的自由电子空穴对 如此连锁反应 使得阻挡层中的载流子的数量雪崩式地增加 流过 PN 结的电流就急剧增大 所以 这种碰撞电离称为雪崩击穿 它是一种破坏性的电子现象 而齐纳击穿是暂时性 可恢复的 2 齐纳二极管 一般二极管处于逆向偏压时 若电压超过 PIV 逆向峰值电压 值时二极管将受 到破坏 这是因为一般二极管在两端的电位差既高之下又要通过大量的电流 此 时所产生的功率所衍生的热量足以使二极管烧毁 齐纳二极管就是专门被设计在崩溃区操作 是一个具有良好的功率散逸装置 可以当做电压参考或定电压组件 若利用齐纳二极管作为电压调节器 将使附载 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 6 页 共 13 页 电压保持在附近且几乎唯一定值 不受附载电流或电源上电压变动影响 Z V 齐纳二极管的型号有 2CW 2DW 等系列 它的电路符号如图 3 所示 图 3 齐纳二极管符号 齐纳二极管主要工作于逆向偏压区 在二极管工作于逆向偏压区时 当电压 未达崩溃电压以前 二极管上并不会有电流产生 但当逆向电压达到崩溃电压时 每一微小电压的增加就会产生相当大的电流 此时二极管两端的电压就会保持于 一个变化量相当微小的电压值 几乎等于崩溃电压 下图为齐纳二极管之电压电流 曲线 可由此应证上述说明 图 4 齐纳二极管电流电压曲线 一般二极管之崩溃电压 在制作时可以随意加以控制 所以一般齐纳二极管 之崩电压从数伏特至上百伏特都有 一般齐纳二极管在特性表或电路上除了标 Z V 住 外 均会注明也就是齐纳二极管所能承受之做大功率 也可由 Z V Z P 换算出奇纳二极管可通过最大电流 ZZZ IVP Z I 3 主要参数说明 现以 Si 二极管为例 简要介绍一下齐纳二极管的主要电学参数 下图为齐纳管的 伏安特性曲线 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 7 页 共 13 页 图 5 齐纳二极管伏安特性曲线说明图 1 稳定电压 Z V 在规定的稳压管反向工作电流下 所对应的反向工作电压 Z I 2 动态电阻 Z R 其概念与一般二极管的动态电阻相同 只不过稳压二极管的动态电阻是从它 的反向特性曲线上求取的 愈小 反映稳压管的击穿特性愈陡 Z R ZZZ IVR 3 最大耗散功率 ZM P 稳压管的最大功率损耗取决于 PN 结的面积和散热等条件 反向工作时 PN 结 的功率损耗为 ZMAXZZM IVP 4 最大稳定工作电流 和最小稳定工作电流 ZMAX I ZMIN I 稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率 即 ZZMZMAX VPI 而对应 即反向特性曲线刚刚击穿处对应的 若 则不能稳 ZMIN I ZMIN V Z I Z I ZMIN I 压 5 稳定电压的温度系数 Z V Z V 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 8 页 共 13 页 温度的变化将使改变 在稳压管中当 7 V 时 具有正温度系数 反 Z V Z V Z U 向击穿是雪崩击穿 当 4 V 时 具有负温度系数 反向击穿是齐纳击穿 Z V Z U 当 4 V 7 V 时 正 负温度系数在某一点上互相抵消 稳压管可以获得 Z V 接近零的温度系数 这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用 提供十分稳定 的直流电压 2 仿真模拟及研究结果仿真模拟及研究结果 本实验使用 Silvaco 软件对齐纳二极管进行仿真 对不同扩散温度 扩散时间 等条件下齐纳二极管击穿特性曲线进行模拟 1 齐纳二极管的仿真 如下图所示 为 time 30s T 1000K 时的仿真图像 图 6 齐纳二极管的 Silvaco 仿真 2 击穿特性的仿真 以下为不同扩散时间 time 扩散温度 T 条件下 齐纳二极管的击穿特性曲线 time 30s 一定 T 不同时的仿真结果 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 9 页 共 13 页 图 7 Time 30s T 1000K 图 8 Time 30s T 950K 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 10 页 共 13 页 图 9 Time 30s T 1100K 图 10 Time 30s T 1200K T 1000K 保持不变 改变不同的 time 得到的仿真结果 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 11 页 共 13 页 图 11 Time 60s T 1000K 图 12 Time 120s T 1000K 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 12 页 共 13 页 图 13 Time 300s T 1000K 3 实验结果分析实验结果分析 1 由以上击穿特性曲线图 可以看到 击穿时 曲线变化趋势很 陡 电流升高 而电压几乎不变 击穿电压即为稳定电压 验证了齐纳二极管的稳压特性 同 Z V 时也说明了模拟程序的正确性 2 图 8 9 10 与