PN结的击穿课件

2.4PN结的击穿 结加反向电压时，电流很小，但是，当反向电压增加到一定大小时，反向电流就会如图2.4.1那样迅速增加，这种现象叫做结的击穿，发生击穿时的电压值称为击穿电压，用表示。

2.4.1PN结空间电荷区中的电场突变结

，区的电子是耗尽的，只剩下带正电荷的电离施主，施主电荷密度为；在区，空穴是耗尽的，只留下带负电荷的电离受主，受主电荷密度为。由于电中性的要求，空间电荷区正负电荷的总量应该相等，即为结的结面积，、分别为空电区在区和区的宽度。由上式可以得到(2.4.1)上式表明：PN结空间电荷区在P区和N区的厚度与掺杂浓度成反比

对N+P结或P+N结，空间电荷区主要在轻掺杂一侧展宽。起始于正电荷，终止于负电荷的电力线不可能贯穿整个空电区，因而通过x轴各处（图2.4.2）的电力线密度是不同的。

①.在PN结交界面，即x＝0处的电力线密度最大，电场也最强，因为右侧所有正电荷所发出的电力线都要通过x＝0面到达负电荷，②.在x＝-XP和Xn处，没有电力线通过，所以电场强度为零。根据静电学原理，电场强度等于通过单位横截面积的电力线数目。选用实用单位制，在真空中每库仑电荷发出的电力线数目为

,为真空电容率（它等于）,于是结交界面处（x＝0）的电场强度为

表示空间电荷区电离施主电荷的总量，所以上式就代表空间电荷区最大电场强度，用下标M表示。表示材料的相对介电常数，它使空电区电场较真空情况减弱了倍。N型一侧的x处，通过结面积A的电力线，应该等于A(xn-x)这一体积中的正空间电荷所发出的电力线数。这个体积内的正电荷总量为qND(xn-x)A

,发射电力线的数目为所以0＜x＜xn的各点的电场强度为(2.4.3)在P型一侧（－xp＜x＜0），通过类似的考虑得到(2.4.4)式代入(2.4.5)式则有

由此可以得到P+N结的耗尽层宽度为

(2.4.6)同理，对N+P结，可以得到类似的表达式

(2.4.7)(2.4.6)式中的ND和(2.4.7)中的NA都是低掺杂一侧的杂质浓度。如果用N0表示低掺杂一边的杂质浓度，则(2.4.6)式和(2.4.7)式可统一写为(2.4.8)【例】假设Si的单边突变结上外加反压为20伏，N0＝1015cm-3，硅的εs＝11.8，ε0＝8.85×10-14F／cm，计算耗尽层宽度和最大场强。解：把VD－V≈20伏，代入(2.4.8)式，则有cm＝5μm最大场强伏/厘米(2.4.9)线性缓变结的空电区的宽度和最大场强分别为

(2.4.10)

a为PN结前沿杂质浓度梯度

2.4.2PN结的雪崩击穿和隧道击穿碰撞电离:当加在PN结上的反向电压逐渐增加时，空间电荷区的电场强度也随着增强，因而通过空电区的电子和空穴从电场所获得的能量也随着增大。载流子在晶体中运动时，会不断地与晶格原子发生碰撞，当载流子从电场获得的能量足够大时，这种碰撞能使价带的电子激发到导带，形成电子-空穴对，称这种现象为“碰撞电离”。

雪崩击穿:由于载流子雪崩倍增，就会使反向电流迅速增大，从而发生击穿，这就是所谓的雪崩击穿。雪崩倍增效应:如果空间电荷区足够宽，载流子通过势垒区时将发生多次碰撞，碰撞电离将使空电区的载流子数量迅速、成倍地增加，由于这种载流子增加的过程具有雪崩的性质，所以称为雪崩倍增效应，

雪崩击穿隧道击穿隧道击穿的物理过程和雪崩击穿是完全不同的，图2.4.5给出了隧道击穿的能带示意图。可见，在空电区中由于反向偏压下能带陡峻地倾斜，价带中的电子有可能通过隧道效应穿过禁带进入导带，隧道穿透的结果是形成一对电子和空穴，它们分别被扫向N区和P区，形成一股通过PN结的反向电流。由此导致的击穿为隧道击穿。隧道长度d和能带倾斜的斜率tgθ之间有如下关系

（2.4.11）Eg是不随位置变化的，而能带的倾斜，反映了电子位能-qV(x)的变化，所以有

（2.4.12）

隧道击穿2.4.3雪崩击穿条件

电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子空穴对数，电离率用α表示。为了区别电子的电离率和空穴的电离率，常用表示前者，用表示后者。

图2.4.6给出了Ge、Si、GaAs、GaP中载流子电离率随着电场变化的实验曲线

，从图中可以看出电离率随电场变化非常快，例如在伏／厘米范围内电场每增加一倍，电离率要增加几个数量级。在不考虑空间电荷区产生电流的情况下，可以假设PN结没有发生倍增效应时的反向电流为（2.4.14）

每秒通过x处单位截面积的电子数为

n(x)Vn(x)这些电子将在dx薄层发生碰撞电离，所以在dx薄层内产生的电子-空穴对数可以写为

同理,每秒通过x处单位截面的空穴数为p(x)VP(x)，产生的电子-空穴对数为

以上两项相加，并在整个空电区积分，就得到每秒钟在PN结中产生的电子-空穴对总数

(2.4.17)(2.4.18)碰撞电离所产生的电流

为了避免繁杂的运算，我们假设，于是得到利用Si的电离率的经验公式（E的单位为伏／厘米，α的单位为cm-1）可以导出Si单边突变结击穿电压VB和倍增因子M(V)如下:

(2.4.24)

(2.4.25)

(2.4.26)

n的取值为2~6之间

N0为低掺杂一侧的杂质浓度,对不同材料，不同掺杂浓度的PN结，有类似的经验公式碰撞电离集中发生在电场最强的区域附近，即积分

中对倍增有贡献的部分主要在势垒区最大场强EM处，图2.4.8示意地给出了单边突变结中电离率分布的情况。

2．4．4影响击穿电压的因素分析

◆杂质浓度对PN结击穿电压的影响

根据（2．4．3）式，E（x）曲线的斜率是，它与掺杂浓度ND成正比。

图2.4.9比较了两种不同掺杂浓度的P+N结在势垒区的电场分布。a,b两直线的斜率不同，斜率大的直线a对应的掺杂较高，耗尽层宽度xm较窄，电场Em较大。但是这两个P+N结加有相同的反向电压，在曲线上表现为E（x）下的三角形面积相等。

上面两个PN中哪一个更容易击穿呢？根据雪崩倍增理论，要看哪一个电离率积分更大

曲线a所对应的的掺杂浓度较高，所以电场强度更大，电离率的积分亦较大，即更容易达到击穿。

图2．4．10给出了不同材料单边突变结的雪崩击穿电压与杂质浓度的关系曲线，右下角的虚线表示从雪崩击穿到隧道击穿的过渡浓度。由此图可以确定为获得某击穿电压而应当选用的衬底杂质浓度。◆半导体薄层厚度对击穿电压的影响

因为PN结空电区的宽度主要是在低掺杂一侧展开的，如果这一半导体薄层的厚度不够厚，即PN结还没有达到雪崩击穿电压以前，空间电荷区就已经扩展穿透了这一薄层，如再提高反向电压，空间电荷区将扩散进入N+区。由于N+区掺杂浓度非常高，空间电荷区宽度就基本不再继续扩大（只是略有增加）。N+区的空间电荷区也就集中在NN+界面附近。反向电压增大，在NN+界面增多的空间电荷量△Q所产生的△E将贯穿整个N型层，终止在P区一侧的负空间电荷上。图2．4．11所示的PNN+结是在N+衬底上外延生长电阻率较高的N型外延层，然后在N型外延层上扩散P型杂质形成的。

也可以说，空间电荷区扩展进入NN+区后，继续提高电压，空间电荷区各处电场的增量是相同的，因为所增加的电场就是NN+界面电荷产生的。

图2.4.12给出了N区电阻率相同，外加电压相同但N区厚度不同的两种PNN+结电场分布的对比。

N层太薄，空电区在发生击穿前已扩展到N+区，电场增强，击穿电压必然下降，因此a比b更容易击穿。故击穿电压由低掺杂的薄层的厚度所决定。

图2.4.14示意地画出了柱面和平面P+N结空间电荷区电力线的分布情况

柱面结中，正电荷发出的电力线是沿半径指向0点，电力线随r减小而逐渐密集。

平面PN结中，电力线是彼此平行分布的。当X逐渐减小而接近PN结的界面X=0时，电力线的密度逐渐增加，这是因为有越来越多的正电荷发出的电力线通过了截面。

柱面结来说，随着r逐渐减小而接近PN结交界面，除了上述原因引起的电力线密度增大外，还必须考虑随r减小