微电子器件(2-4)

2.4PN结的击穿雪崩倍增隧道效应热击穿击穿现象击穿机理：电击穿BVVI0I2.4.1碰撞电离率和雪崩倍增因子在耗尽区中，反向电压就会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，这叫做碰撞电离。G,,,,EEEE当时0dlEqEx电子（或空穴）在两次碰撞之间从电场E获得的能量为1、碰撞电离率一个自由电子（或空穴）在单位距离内通过碰撞电离产生的新的电子空穴对的数目称为电子（或空穴）的碰撞电离率，记为in（或ip）。iexpmBAEi与电场E强烈有关，如下图所示可用如下经验公式近似表示357i1.810(1cm)E或2、雪崩倍增因子包括碰撞电离作用在内的流出耗尽区的总电流与未发生碰撞电离时的原始电流之比，称为雪崩倍增因子，记为M。假设，则M与i的关系为ipinidi011dxMx式中，称为电离率积分。di0dxx当，总电流就是原始电流J0，表示无雪崩倍增效应。di0d0,1xxM时随着反向电压dipdB0d1,,(),xxMJxVV当时di0d1xx，这时发生dii0d,xExM总电流雪崩击穿。由此可得发生雪崩击穿的条件是3、雪崩击穿条件di011dxMx2.4.2雪崩击穿1、利用雪崩击穿条件计算雪崩击穿电压对一定掺杂浓度的PN结，先计算出对应于各反向电压V的E(x)，及与E(x)对应的i(x)，再求电离率积分。当V增大到使该积分等于1时，所对应的V就是雪崩击穿电压VB。由于i随E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很小一部分区域。这个区域内Emax几乎不变，因此可以近似认为，当Emax达到某临界电场EC时，即满足击穿条件，从而发生雪崩击穿。2、雪崩击穿电压的近似计算方法EC只与结的形式和掺杂浓度稍微有关，对于硅PN结，5C210VcmE对于突变结，maxCbibiBB||()(),EEVVVVV当达到时，即由式(2-10)可知，120maxbis2||qNEVV120CBs33213s24BCG0025.2102qNEVVEENqN可见，禁带宽度EG越大，则击穿电压VB越高；约化杂质浓度N0越低，VB越高。对于单边突变结，N0就是低掺杂一侧的杂质浓度，因此击穿电压也取决于低掺杂一侧，该侧的杂质浓度越低，则VB越高。131247G8C0s1.1101.1EqEN也可通过查曲线求得突变结的雪崩击穿电压VB。141356G15Cs1233maxbis1233CBs1623210s552BCG1.5101.11||128112832109EqEaaqEVVaqEVVEEaaq对于线性缓变结，可见，禁带宽度EG越大，则击穿电压VB越高；杂质浓度梯度a越小，VB越高。或通过查曲线求得线性缓变结的雪崩击穿电压VB。实际扩散结的击穿电压由扩散工艺形成的实际扩散结，其杂质分布既非突变结，也非线性缓变结，而是余误差分布或高斯分布。NPxjxjxxN(x)N(0)N00硅平面工艺中，常采用杂质扩散工艺制造PN结。从表面到冶金结面的距离，称为结深，用xj表示。方法1：查曲线方法2：根据PN结的具体情况，分别近似看作单边突变结或线性缓变结，再用相应公式进行计算。当结两侧掺杂浓度相差很小，N0很大，a很小，xj很大，xd很小（反向电压很小或正向电压下）时，则可近似看作线性缓变结。当结两侧掺杂浓度相差很大，N0很小，a很大，xj很小，xd很大（反向电压很大）时，可近似看作单边突变结。4、击穿电压的测量常采用类似于测量正向导通电压VF的方法。BVITIV3、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T上升时，VB增大。5、结的结构对雪崩击穿电压的影响只有满足以下条件的PN结，才能使用以上公式与曲线来计算击穿电压VB。结面为一平面，即平面结平行平面结结面与材料表面相垂直低掺杂中性区的厚度足够厚然而实际上绝大多数PN结并不满足这些条件，这就必须对计算击穿电压的公式加以修改。（1）高阻区厚度的影响对于同样的|Emax|=EC，当N-区足够厚时，即WxdB时，。但是当WxdB时，击穿电压变为可见，VB’VB,且若W↓，则VB’↓。BdBC12VxE2CdBBBdBdBBdBdB1'12ExWVVxWxWVxxN+N-P+xdBW0xmaxC||EEWW（2）结面曲率半径的影响由扩散工艺所形成的PN结，在结面的四周和四角会形成柱面与球面。结深xj越小，曲率半径就越小，电场就越集中，击穿电压VB也就越低，且多发生在表面而不是体内。6、提高雪崩击穿电压的措施采用如下图所示的台面结构，掺杂浓度要低、浓度梯度要小；低掺杂区的厚度要足够厚；结深要深；2.4.3齐纳击穿1、隧道效应由于电子具有波动性，可以有一定的几率穿过势垒。势垒越薄，隧道效应就越明显。由于存在隧道效应，使价带中不具有EG能量的A点电子可有一定的几率穿过隧道到达导带中的B点，从而进入N区形成反向电流。电子能量电子动能xABGEdxC当掺杂浓度恒定而反向电压提高时，势垒区宽度xd增大，但因势垒区中的电场|Emax|增强，所以隧道长度d反而缩短。当反向电压恒定而掺杂浓度增加时，势垒区宽度xd缩短，势垒区中的电场|Emax|增强，隧道长度d也缩短。GGCmaxd||dEEdEqExA、B两点间的隧道长度d可表为ABGEdxCG42*exp3mEIdh随着反向电压的提高，|Emax|增大，隧道长度d缩短，使得反向电流增大。当反向电压增大到使|Emax|达到临界值时，d变得足够小，使反向电流急剧增大，这种现象就称为齐纳击穿，或隧道击穿。由量子力学可知，隧道电流可表为2、齐纳击穿一般说来，当时为雪崩击穿，当时为齐纳击穿。N0或a较小时，xd较大，d较大，较易发生雪崩击穿；3、两种击穿的比较雪崩击穿条件：齐纳击穿条件：GB6EVqGB4EVq对于硅，这分别相当于7V和5V左右。其余内容请参见表2-3。di0d1xxGmax||EdqE足够小N0或a较大时，xd较小，d较小，较易发生齐纳击穿。反向电压V↑→功率PC=VI0↑→结温Tj↑→I0↑当Tj不受控制的不断上升时，将导致PN结的烧毁，这就是热击穿。热击穿是破坏性的，不可逆的。2.4.4热击穿2G0ijGC0jexpexpEInkTEPVIkT式中V为反向电压，Tj为PN结的结温。式中Ta代表环境温度，RT代表热阻，其计算公式为式中，与分别为材料的热阻率与热导率，L与A分别代表传热途径上的长度和横截面积。TjaTdTTTPRTTLLRAA单位时间内散发掉的热量为当PCPTd时，Tj上升；当PC=PTd时，Tj维持不变，达到平衡；当PCPTd时，Tj下降。（2-123）（2-124）防止热击穿最有效的措施是降低热阻RT。此外，半导体材料的禁带宽度EG越大，则I0越小，热稳定性就越好，因此硅PN结的热稳定性优于锗PN结。由于PN结的反向电流I0极小，所以功率损耗PC也极小，一般并不容易发生热击穿。实际上热击穿往往发生在已经出现电击穿，因而反向电流比较大的情况下。或者发生在正向时，因为正向电流不但很大，而且也有正的温度系数。