微电子器件课件2-4

1、 雪崩倍增雪崩倍增 隧道效应隧道效应 热击穿热击穿 击穿现象击穿现象击穿机理：击穿机理：电击穿电击穿BVVI0I 2.4.1 碰撞电离率和雪崩倍增因子碰撞电离率和雪崩倍增因子 反向电压反向电压 可使被碰撞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，这就是是 碰撞电离碰撞电离。碰撞电离主要发生在反偏。碰撞电离主要发生在反偏 PN 结的耗尽区中。结的耗尽区中。G,EEEE 当时0dlEqE x 电子（或空穴）在两次碰撞之间从电场获得的能量为电子（或空穴）在两次碰撞之间从电场获得的能量为 1、碰撞电离率、碰撞电离率 定义：定义：一

2、个自由电子（或空穴）在单位距离内通过碰撞电一个自由电子（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 碰撞碰撞电离率电离率，记为：，记为： 。inip()或式中，式中，A、B、m 为经验常数，可在表为经验常数，可在表 2-1 中查到。中查到。iexpmBAE与电场与电场 E 强烈有关，可用如下经验公式近似表示强烈有关，可用如下经验公式近似表示i 2、雪崩倍增因子、雪崩倍增因子 定义：定义：包括雪崩倍增作用在内的流出耗尽区的总电流与流包括雪崩倍增作用在内的流出耗尽区的总电流与流入耗尽区的原始电流之比，称为入耗尽

3、区的原始电流之比，称为 雪崩倍增因子雪崩倍增因子，记为，记为 M 。 同理，由于电子的碰撞电离在同理，由于电子的碰撞电离在 dx 距离内新增的流出距离内新增的流出 ( x+dx ) 面的空穴数目为面的空穴数目为 单位时间内流过位于单位时间内流过位于 x 处面上单位面积的空穴数目为处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由于这些空穴的碰撞电离而在 dx 距离内新增的流出距离内新增的流出 ( x+dx )面的空穴数目为面的空穴数目为 pp01JxJq pp0ip1dJxJxq nn0in1dJxJxqp0Jp( )Jxpd()Jxn( )J xn0J0 xdxxdxE 为简便起见，假

4、设为简便起见，假设 ，则流出，则流出 ( x+dx ) 面的总的面的总的新增空穴数目为新增空穴数目为ipinipn0i1( )( )dJxJxJxq在在 dx 距离内新增的空穴电流为距离内新增的空穴电流为 将上式从将上式从 x = 0 到到 x = xd 积分，得：积分，得：ppn0ipd0id( )( )d() dJJxJxJxJxJxdpd00pd0i000()()dxJxJJJxJxJJddpdppd0i00()d()dxxJxJJxJxdi01dxMMx di011dxMx 上式中，上式中， 称为称为 电离率积分电离率积分。di0dxx 当当 ，总电流就是原始电流，表示无，总电流就是原

5、始电流，表示无雪崩倍增效应。雪崩倍增效应。di0d0,1xxM时 随着反向电压随着反向电压dipdB0d1,(), ()xxMJxVV当时di0d1xx ，即发生，即发生dii0d,xExM总电流雪崩击穿雪崩击穿。由此可得发生。由此可得发生 雪崩击穿的条件雪崩击穿的条件 是是 3、雪崩击穿条件、雪崩击穿条件di011dxMx 实际计算击穿电压实际计算击穿电压 VB 时，常采用如下近似方法。时，常采用如下近似方法。 由于由于 随随 E 的变化很剧烈，所以对积分起主要作用的只是的变化很剧烈，所以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。这个区域内电场峰值附近的很小一部分区域。这个区域内

6、 几乎不变，几乎不变，因此可以近似认为，当因此可以近似认为，当 达到某达到某 临界电场临界电场 EC 时，即可满足时，即可满足击穿条件击穿条件 ，从而发生雪崩击穿。，从而发生雪崩击穿。 2.4.2 雪崩击穿雪崩击穿 1、利用雪崩击穿条件计算雪崩击穿电压、利用雪崩击穿条件计算雪崩击穿电压 对一定掺杂浓度的对一定掺杂浓度的 PN 结，先计算出对应于各反向电压结，先计算出对应于各反向电压 V 的的 E(x)，及与，及与 E(x) 对应的对应的 i (x) ，再求电离率积分。当，再求电离率积分。当 V 增大到使增大到使该积分等于该积分等于 1 时，所对应的时，所对应的 V 就是雪崩击穿电压就是雪崩击穿

7、电压 VB 。 idi0d1xxmax|E 2、雪崩击穿电压的近似计算方法、雪崩击穿电压的近似计算方法max|E对于突变结，对于突变结，maxCbibiBB|()()EEVVVVV当达到时，已知已知120maxbis2|()qNEVV120CBs33213s24BCG0025.2 102qNEVVEENqN 可见，禁带宽度可见，禁带宽度 EG 越大，则击穿电压越大，则击穿电压 VB 越高；约化杂质越高；约化杂质浓度浓度 N0 越低，越低，VB 越高。对于单边突变结，越高。对于单边突变结，N0 就是低掺杂一侧就是低掺杂一侧的杂质浓度，因此的杂质浓度，因此 击穿电压也取决于低掺杂一侧，该侧的杂质击

8、穿电压也取决于低掺杂一侧，该侧的杂质浓度越低，则浓度越低，则 VB 越高。越高。131247G8C0s1.1 101.1EqEN 也可通过查曲线求得突变结的击穿电压也可通过查曲线求得突变结的击穿电压 VB 。141356G15Cs1233maxbis1233CBs1623210s552BCG1.5 101.11|12()81(12)832109EqEaaqEVVaqEVVEEaaq 对于线性缓变结，对于线性缓变结， 或通过查曲线求得线性缓变结的击穿电压或通过查曲线求得线性缓变结的击穿电压 VB 。 实际扩散结的击穿电压实际扩散结的击穿电压 方法方法 1：查曲线。查曲线。 方法方法 2：根据根据

9、 PN 结的具体情况，分别近似看作单边突变结结的具体情况，分别近似看作单边突变结或线性缓变结，再用相关公式进行计算。或线性缓变结，再用相关公式进行计算。 4、击穿电压的测量、击穿电压的测量 常采用类似于测量正向导通电压常采用类似于测量正向导通电压 VF 的方法。的方法。BVITIV 3、雪崩击穿电压与温度的关系、雪崩击穿电压与温度的关系 雪崩击穿电压具有正温系数，即温度雪崩击穿电压具有正温系数，即温度 T 上升时，上升时，VB 增大。增大。 5、结的结构对、结的结构对雪崩击穿电压雪崩击穿电压的影响的影响 只有满足以下条件的只有满足以下条件的 PN 结，才能使用以上公式与曲线来结，才能使用以上公

10、式与曲线来计算击穿电压计算击穿电压 VB 。结面为一平面，即平面结结面为一平面，即平面结 平行平面结平行平面结结面与材料表面相垂直结面与材料表面相垂直低掺杂中性区的厚度足够厚低掺杂中性区的厚度足够厚 然而实际上绝大多数然而实际上绝大多数 PN 结并不满足这些条件结并不满足这些条件 ，这就必须，这就必须对计算击穿电压的公式加以修改。对计算击穿电压的公式加以修改。（1）高阻区厚度的影响）高阻区厚度的影响 对于同样的对于同样的 |Emax | = EC ，当，当 N- 区足够厚时，即区足够厚时，即 W xdB 时，时，。但是当。但是当 W xdB 时，击穿电压变为：时，击穿电压变为：可见，可见，VB PTd 时，时，Tj 上升；上升； 当当 PC = PTd 时，时，Tj 维持不变，达到平衡。维持不变，达到平衡。 当当 PC PTd 时，时，Tj 下降；下降； （2-123） （2-124） 防止热击穿最有效的措施是降低热阻防止热击穿最有效的措施是降低热阻 RT 。此外，半导体此外，半导体材料的禁带宽度材料的禁带宽度 EG 越大，则越大，则 I0 越小，热稳定性就越好，因此越小，热稳定性就越好，因此硅硅 PN 结的热稳定性优于锗结的热稳定性优于锗 PN 结。结。 由于由于 PN 结的反向电流结的反向电流 I0 极小，所以功率损耗极