8-PN结的击穿
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Physics of Semiconductor Devices
第二章 PN结
Lecture 8：§2.10
PN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. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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。
线性缓变结
3 / 4 Eg N B VBS 60 1.1 1016
2/3
VBL
Eg a 60 1.1 3 1020
5/ 6
2 / 5
单边突变结轻掺 杂一侧的掺杂浓 度。
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。
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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：
突变结
mS 4.3 10 N
3
1/ 8 B
4 1 / 15 1 . 6 10 a 线性缓变结 mL
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
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
二、影响雪崩击穿电压的因素
（1）杂质浓度的影响
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。
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
不同衬底杂质浓度对PN结电场分布的影响
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
(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. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
(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
B m a A exp
B a A exp x m 1 W
m (1
x ) ( xn W ) xn
对于Ge、Si，m=1
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
(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：
2 梯形ABEF的面积 （X mB W） VB ＝ 1－ 2 VB 三角形ABC的面积 X mB
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。
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. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
(c) N区的掺杂浓度相同，但厚度不同。对于W<XmB的情况，电场 较大，在比较低的反向偏压下就会发生击穿。 击穿电压较低
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
电场方向 Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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。
I p (0) I n (W ) I 0
PN结的反向电流为： I 0＋I G
发生碰撞电离之后，反向电流增加为：
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）：
X m (球) X m (柱) X m (平面)
EM (球) EM (柱) EM (平面)
VB (球) VB (柱) VB (平面)
解决的措施:
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）。 Prof. Gaobin Xu
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。
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
雪崩倍增机理
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
M (IG I0 )
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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：
I p ( x x) I p ( x) a( x)[I n ( x) I p ( x)]x qAGx
①
( x)I p ( x)x
qAGx
产生项
N
电子流
qAGx
②
未 碰 撞 ②
电 子 雪 崩
P
I n (W )
空穴流
a( x) I n ( x) x
③
③
a( x) I n ( x) x
பைடு நூலகம்电子流
I n ( x x) I n ( x)
I n ( x)
dI n ( x) x dx
未碰撞 引入空间电荷区 的电子
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
（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. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
最大梯度，超过则开始 出现隧道机制
线性缓变结雪崩电压与掺杂浓度的对应关系
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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：
突变结
式中： I I n ( x) I p ( x)
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
I p ( x) I p (0) I a( x)dx qAGdx 分别积分 0 0 I W W I n (W ) I n ( x) I a( x)dx qAGdx
qNd xn k 0
1/ 2
2k ( 0 VR ) W qNd
可以求解击穿电压与轻掺杂一边杂质浓度的关系
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
单边突变结雪崩电压与轻掺杂一边杂质浓度的关系
Prof. Gaobin Xu
（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. Gaobin Xu
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。 Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices 例题分析：单边突变结的雪崩击穿电压
Physics of Semiconductor Devices
（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. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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。
x x
x
x
相加得到：
I
I0 IG 1 a ( x ) dx
0 W
pn0 np0 I 0 qA Lp Ln 反向饱和电流 n p
I G qAU W qni AW 2 0
产生电流
M
I I0 IG
雪崩倍增因子
表示电流倍增的程度
I M I 0 I G
2、击穿特性分析
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。
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices 雪崩条件下反偏压PN结的电流成分
未碰撞 引入空间电荷区 的空穴
dI p ( x) dx
I p (0) I p ( x)
空 穴 雪 崩
I p ( x x) I p ( x)
x
空穴流
①
a(x) ≌β(x)
( x)I p ( x)x
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
雪崩倍增因子定义为：
M
1 1 a( x)dx
0 W
理论上，当M接近无限大时，就达到雪崩击穿的条件：
W
0
a( x)dx 1
电离系数a(x)的经验公式为：
B m a A exp
大多数雪崩倍增发生在最大电场强度发生在 x≈0处
1 1 x W x x 1 W W
W
0
a( x)dx 1
1
B a A exp 1 x m W
m
1
AW m B
B B 1 exp exp m m
击穿特性
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
一、雪崩击穿
1. 击穿机理
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
或
dI p ( x) dx
a( x) I qAG
式中： I I n ( x) I p ( x)
类似有： I n ( x) I n ( x x) a( x)[I n ( x) I p ( x)]x qAGx
dI n ( x) a( x) I qAG 或 dx
第二章 PN结
Lecture 8：§2.10
PN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. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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。
线性缓变结
3 / 4 Eg N B VBS 60 1.1 1016
2/3
VBL
Eg a 60 1.1 3 1020
5/ 6
2 / 5
单边突变结轻掺 杂一侧的掺杂浓 度。
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。
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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：
突变结
mS 4.3 10 N
3
1/ 8 B
4 1 / 15 1 . 6 10 a 线性缓变结 mL
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
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
二、影响雪崩击穿电压的因素
（1）杂质浓度的影响
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。
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
不同衬底杂质浓度对PN结电场分布的影响
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
(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. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
(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
B m a A exp
B a A exp x m 1 W
m (1
x ) ( xn W ) xn
对于Ge、Si，m=1
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
(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：
2 梯形ABEF的面积 （X mB W） VB ＝ 1－ 2 VB 三角形ABC的面积 X mB
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。
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. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
(c) N区的掺杂浓度相同，但厚度不同。对于W<XmB的情况，电场 较大，在比较低的反向偏压下就会发生击穿。 击穿电压较低
Prof. Gaobin Xu
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电场方向 Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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。
I p (0) I n (W ) I 0
PN结的反向电流为： I 0＋I G
发生碰撞电离之后，反向电流增加为：
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）：
X m (球) X m (柱) X m (平面)
EM (球) EM (柱) EM (平面)
VB (球) VB (柱) VB (平面)
解决的措施:
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）。 Prof. Gaobin Xu
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。
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
雪崩倍增机理
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
M (IG I0 )
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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：
I p ( x x) I p ( x) a( x)[I n ( x) I p ( x)]x qAGx
①
( x)I p ( x)x
qAGx
产生项
N
电子流
qAGx
②
未 碰 撞 ②
电 子 雪 崩
P
I n (W )
空穴流
a( x) I n ( x) x
③
③
a( x) I n ( x) x
பைடு நூலகம்电子流
I n ( x x) I n ( x)
I n ( x)
dI n ( x) x dx
未碰撞 引入空间电荷区 的电子
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
（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. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
最大梯度，超过则开始 出现隧道机制
线性缓变结雪崩电压与掺杂浓度的对应关系
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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：
突变结
式中： I I n ( x) I p ( x)
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
I p ( x) I p (0) I a( x)dx qAGdx 分别积分 0 0 I W W I n (W ) I n ( x) I a( x)dx qAGdx
qNd xn k 0
1/ 2
2k ( 0 VR ) W qNd
可以求解击穿电压与轻掺杂一边杂质浓度的关系
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
单边突变结雪崩电压与轻掺杂一边杂质浓度的关系
Prof. Gaobin Xu
（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. Gaobin Xu
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。 Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices 例题分析：单边突变结的雪崩击穿电压
Physics of Semiconductor Devices
（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. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
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。
x x
x
x
相加得到：
I
I0 IG 1 a ( x ) dx
0 W
pn0 np0 I 0 qA Lp Ln 反向饱和电流 n p
I G qAU W qni AW 2 0
产生电流
M
I I0 IG
雪崩倍增因子
表示电流倍增的程度
I M I 0 I G
2、击穿特性分析
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。
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices 雪崩条件下反偏压PN结的电流成分
未碰撞 引入空间电荷区 的空穴
dI p ( x) dx
I p (0) I p ( x)
空 穴 雪 崩
I p ( x x) I p ( x)
x
空穴流
①
a(x) ≌β(x)
( x)I p ( x)x
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
雪崩倍增因子定义为：
M
1 1 a( x)dx
0 W
理论上，当M接近无限大时，就达到雪崩击穿的条件：
W
0
a( x)dx 1
电离系数a(x)的经验公式为：
B m a A exp
大多数雪崩倍增发生在最大电场强度发生在 x≈0处
1 1 x W x x 1 W W
W
0
a( x)dx 1
1
B a A exp 1 x m W
m
1
AW m B
B B 1 exp exp m m
击穿特性
Prof. Gaobin Xu
Physics of Semiconductor Devices
一、雪崩击穿
1. 击穿机理
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
或
dI p ( x) dx
a( x) I qAG
式中： I I n ( x) I p ( x)
类似有： I n ( x) I n ( x x) a( x)[I n ( x) I p ( x)]x qAGx
dI n ( x) a( x) I qAG 或 dx