8-PN结的击穿

Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices第二章PN结Lecture8：§2.10PN结的击穿特性1.雪崩击穿2.影响雪崩击穿电压的因素3.其它击穿类型Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices在实际的反向PN结中，由于空间电荷区的产生电流和其他因素的影响，反向电流随着反向电压的增大而略有增大，当反向电压增大到某一值时，反向电流骤然变化，这种现象称为PN结击穿。击穿特性Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices电子和空穴在强电场作用下，向相反的方向运动，与空间电荷区内晶格原子发生碰撞，能把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生空穴，随着碰撞的继续，载流子就大量增加这种产生载流子的方式称为载流子的雪崩倍增或碰撞电离。当反向偏压增大到某一数值后，载流子迅速增多，使反向电流急剧增大，从而发生了PN结击穿，称为雪崩击穿。一、雪崩击穿1.击穿机理Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices雪崩倍增机理Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices一个载流子在电场作用下，漂移单位距离时，碰撞电离产生的电子-空穴对数称为电子（空穴）的电离系数。电子的电离系数a(x)和空穴的电离系数β(x)都是电场的函数，一般情况下不相等。由于势垒区电场强度处处不等，因此，有效电离率也是位置的函数，且主要集中在电场强度最大附近。2、击穿特性分析Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevicesPN)(pxI)0(pIxxIx)()(pxxIx)()(pxqAGxqAGxxIxa)()(nxxIxa)()(n)(nxI)(nWIxxxIxIxxId)(d)()(nnnxxxIxIxxId)(d)()(ppp电子雪崩未碰撞雪崩条件下反偏压PN结的电流成分电场方向空穴雪崩未碰撞引入空间电荷区的空穴未碰撞引入空间电荷区的电子a(x)≌β(x)③①①②②③电子流空穴流电子流空穴流产生项Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevicesG0PNII＋结的反向电流为：0np)()0(IWII)(0GIIM发生碰撞电离之后，反向电流增加为：没有碰撞电离的载流子是以Ip(0)、In(W)和空间电荷产生项G引入空间电荷区。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices有碰撞电离时，空穴向右方边走边增加，电子向左方边走边增加。在Δx内每单位面积上空穴电流的连续性要求：或类似有：)]()()[()()(pnppxqAGxxIxIxaxIxxI)()()(d)(dpnpxIxIIqAGIxaxxI式中：)()()(d)(d)]()()[()()(pnnpnnnxIxIIqAGIxaxxIxqAGxxIxIxaxxIxI式中：或Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices产生电流反向饱和电流分别积分相加得到：GIIIM0表示电流倍增的程度雪崩倍增因子nnp0ppn00LnLpqAI20iGAWqnWUqAIGIIMI0WxxaIII0G0d)(1dd)()0()(00ppxqAGxxaIIxIxxdd)()()(nnxqAGxxaIxIWIWxWxIProf.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices雪崩倍增因子定义为：理论上，当M接近无限大时，就达到雪崩击穿的条件：电离系数a(x)的经验公式为：式中，AB是材料常数。对于硅，A=9×105cm-1，B=1.8×106V/cm。对于Ge、Si，m=1；GaAs、GaP，m=2。电场的大小则要由对每个结解泊松方程进行计算。WxxaM0d)(111d)(0WxxamexpBAaProf.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices例题分析：单边突变结的雪崩击穿电压mexpBAa)()1(nnmWxxxWxBAa1expm对于Ge、Si，m=1Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevicesmmmexp1exp1BBBAW大多数雪崩倍增发生在最大电场强度发生在x≈0处WxWxWx1111WxBAa1expm1d)(0Wxxa可以求解击穿电压与轻掺杂一边杂质浓度的关系2/10)(2dRqNVkW0nmkxqNdProf.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices单边突变结雪崩电压与轻掺杂一边杂质浓度的关系Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices线性缓变结雪崩电压与掺杂浓度的对应关系最大梯度，超过则开始出现隧道机制Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices对于硅、锗、砷化镓和磷化镓四种材料，其通用击穿电压的通用公式：单边突变结轻掺杂一侧的掺杂浓度。突变结线性缓变结杂质浓度越大，击穿电压越低对于不同的材料，禁带越窄则雪崩击穿电压越低，因为碰撞电离是电子从价带激发到导带的过程，禁带越窄越容易发生，倍增越明显，击穿电压就越低。5/2206/5gBL4/316B3/2gBS1031.160101.160aEVNEVProf.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices雪崩击穿时，空间电荷区的最高电场强度是一个重要参数，可利用外加电压与电场强度的关系来得到：思考题：试推导发生雪崩击穿时，突变结和线性缓变结的最大电场强度突变结线性缓变结15/14mL8/1B3mS106.1103.4aNProf.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices掺杂浓度低，击穿电压就高。因为，掺杂浓度低，空间电荷区宽，电场强度较低，达到临界电场强度所需的电压就高。要得到反向耐压高的PN结，一般选用低掺杂的高阻材料做衬底，或通过深扩散以减小aj。二、影响雪崩击穿电压的因素（1）杂质浓度的影响Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices不同衬底杂质浓度对PN结电场分布的影响Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices（2）外延层厚度的影响实际的PN结总有一侧掺杂低、电阻率较高。高电阻率侧的厚度有一定限制，这对击穿电压有直接的影响。PN结空间电荷区的宽度随外加反向电压的升高而增大，如果在PN结击穿之前，空间电荷区已经扩展并穿透电阻率较高的半导体层，则击穿电压显然受到影响。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices(a)PN结击穿时，空间电荷区还未扩展到N＋区，此时，击穿电压由N区的电阻率决定。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices(b)当空间电荷区已经扩展满N区，PN结还未击穿，空间电荷区就会进入N＋区，由于该区是重掺杂的，空间电荷区稍有增加，空间电荷的数量就增加很多，因此空间电荷区的宽度基本不随外加电压增加而增大，但空间电荷内电场强度随偏压的升高而增大。N＋区新增的空间电荷区发出的电力线均通过低掺杂区，所以该区各处电场强度的增量都相同，也就是说，随着偏压的增加，函数曲线上移。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices击穿电压较低(c)N区的掺杂浓度相同，但厚度不同。对于WXmB的情况，电场较大，在比较低的反向偏压下就会发生击穿。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices(d)两种情况时，如果近似认为在击穿时PN结界面处的最大电场强度近似相等，则有：说明：低掺杂半导体层厚度W比XmB小得多，其击穿电压V’B则比由电阻率决定的雪崩击穿电压VB低得多。221ABCABEFmBmBBBXWXVV）（－＝的面积三角形的面积梯形Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices（3）结深的影响柱面结和球面结将会引起电场集中，电场强度比平面结大，因此在这些区域先发生雪崩击穿，从而使击穿电压降低。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices外加偏压相同时，曲线下的面积一样，但空间电荷区的宽度不同（计算得到）：)()()(平面柱球mmmXXX)()()(平面柱球MMMEEE)()()(平面柱球BBBVVV1、深扩散结，增大曲率半径，减弱电场集中；2、磨角法，将柱面和球面磨去；3、采用分压环（主结和分结的距离较小）。解决的措施:Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices（4）表面态的影响表面电荷产生的表面电场作用于半导体表面，将改变PN结在表面处的电场分布，影响击穿电压。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices表面状态将在表面产生沟道效应。对于P+N结，氧化层中的正电荷会在原来是N型半导体表面感应出负电荷，形成N+层，从而使表面层中的势垒宽度变薄，使击穿电压下降。对于PN+结来说，正电荷的感应会使P型半导体表面变成N型层，扩散的N+区与表面反型层连在一起，造成了沟道漏电。因此，在工艺上控制半导体的表面状态是十分重要的。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices由于隧道效应（P区价带中的电子有一定的几率直接穿透禁带而到达N区导带中），使得大量电子从价带进到导带所引起的一种击穿现象，又称齐纳击穿。反向偏压使得势垒升高，能带发生弯曲1.隧道击穿三、其它击穿类型隧道效应Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices（1）隧道击穿取决于穿透隧道的几率，穿透几率与禁带水平有关。掺杂浓度越高，空间电荷区越窄，水平距离就小，穿透几率就大，隧道击穿只发生在两边重掺杂的PN结中；雪崩击穿除于电场强度有关外，空间电荷区越宽，倍增次数就越多，掺杂浓度不太高时，主要是雪崩击穿。（2）光照或快速离子轰击等都增加空间电荷区中的电子和空穴，引起倍增效应。而这些外界作用，对隧道击穿影响不大。隧道击穿与雪崩击穿的区别Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices（3）隧道击穿击穿电压具有负温度系数，因为禁带宽度随温度的升高而减小；雪崩击穿具有正温度系数。（4）在高掺杂的PN结中，空间电荷区很薄，往往首先发生隧道击穿。对于硅PN结，击穿电压小于4V的是隧道击穿，大于6V的是雪崩击穿，介于两者之间时，两种击穿可能都起作用。锗、硅晶体管的击穿绝大多数是雪崩击穿。Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices反向电压增大时，反向电流所引起的热耗损也增大。如果这些热量不能及时传递出去，将引起结温上升，而结温上升又导致反向电流和热耗损的增加。如此就会形成恶性循环，直到PN结被烧毁。由于热不稳定性引起的击穿称为热击穿或电热击穿。2.热击穿（热电击穿）Prof.GaobinXuPhysicsofSemiconductorDevices总结：PN结的击穿热不稳定性偏