第十讲击穿
微电子学院 理想PN结直流伏安特性的定量分析.3
XD
Physห้องสมุดไป่ตู้cs of Semiconductor device Junction Breakdown
The basic breakdown processes are – Avalanching – Zener process
PN结电击穿一般不是破坏性的（除非电流非 常大*） ，即电击穿是一个可逆的过程。 结的击穿电压与PN结的结构以及掺杂分布有 明确的关系，结的击穿特性是可以预测的。
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.6
XD
Physics of Semiconductor device
一、Avalanche Breakdown
（2）雪崩倍增
碰撞电离产生的额外的载流子在耗尽层的电场立刻得到加速，随后它们 和原来的载流子一起继续碰撞电离而产生更多的载流子，导致耗尽区的 载流子滚雪球般增加，引起电流急剧增加，非常类似于山坡上的雪崩。
两边重掺杂的pn结，在不大的反偏电压下满足上 述条件。
理想PN结直流伏安特性的定量分析.20
XD
Physics of Semiconductor device 二.Tunnel Breakdown
E fp
Eg
En f
x0
32 4 2m * E g 遂穿几率 T exp 3qE
西安电子科技大学 微电子学院
Physics of Semiconductor Devices
双极型器件物理(双语)
游海龙
XD
Physics of Semiconductor device
第一章：PN结二极管
1－1 平衡PN结定性分析 1－2 平衡PN结定量分析 1－3 理想PN结直流伏安特性 1－4 实际（Si）PN结直流I-V特性与理想模型的偏离 1－5 PN结交流小信号特性 1－6 PN结瞬态特性 1－7 PN结击穿 1－8 二极管模型和模型参数
EmB (3 ~ 4) 105 V cm for Silicon
引入临界电场后，单边突变结的击穿电压可以简 单的表示为
VB
微电子学院
r 0
2qN B
E
2 mB
理想PN结直流伏安特性的定量分析.14
XD
Physics of Semiconductor device 一、Avalanche Breakdown
微电子学院 理想PN结直流伏安特性的定量分析.4
XD
Physics of Semiconductor device
第十讲 PN 击穿
1
Avalanche Breakdown
2
Tunnel Breakdown
3
Comparision
4
thermoelectricity Breakdown
Neamen（教材）,Chapter 8.1 ,Page 192-203； Aderson，Chapter 5.3.3，Page 263-273；
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.16
XD
Physics of Semiconductor device 一、Avalanche Breakdown
（1）结深的影响 由平面工艺制作 PN 结时，由于杂质的横向扩展， 在结面的四周和四角会形成柱面与球面。整个结面 可以看成平行平面结＋柱面结（球面结）
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.15
XD
Physics of Semiconductor device 一、Avalanche Breakdown
3.影响雪崩击穿的其它因素 前面的计算公式只适用于理想的平行平面结， 而且要求击穿时的空间电荷区的宽度小于中性 区的宽度。 平面工艺制成的 PN结，其击穿电压比理想 的平行平面结低。造成这种情况的因素很多， 这里仅讨论几种主要因素：结深和中性区厚度 的影响。
微电子学院 理想PN结直流伏安特性的定量分析.5
XD
Physics of Semiconductor device
一、Avalanche Breakdown
1.雪崩击穿－定性分析 （1）碰撞电离
载流子在通过空间电荷区时，由于电场的作用，其能量会增加。但是其 能量的增加不是持续的，因为载流子要不断地与晶格发生碰撞而伴随着 能量的损失。如果电子在两次碰撞之间从电场获得的能量足够大，每次 碰撞后传递给晶格的能量足够使一个半导体原子电离化，即使原子释放 出一个价带电子，或者说引起一个电子从价带跃迁到导带，从而产生一 个电子－空穴对。这种现象称为碰撞电离。
一、Avalanche Breakdown （3）电离率：描述碰撞电离的能力
定义为一个载流子在电场的作用下，漂移单 位距离所产生的电子－空穴对的数目。
通常电子的电离率 n 大于空穴的电离率 p ， 可以假设 n p eff 一个载流子通过空间电 荷区时由于碰撞电离产 生的电子－空穴对数为
xj
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.17
XD
Physics of Semiconductor device
一、Avalanche Breakdown
（2）外延层厚度对击穿电压的影响 要求：w xmB
p
E ( x)
n
n
E mB
p
w
n
n
w
xmB
1 当 w xmB时，VB xmB EmB 当 w xmB时， 2 EmB 1 w 2 ' VB VB ( xmB w ) ( xmB w ) VB [1 (1 ) ] VB 2 xmB xmB
XD
Physics of Semiconductor device 一、Avalanche Breakdown
雪崩击穿电压
与掺杂浓度有关，掺杂浓度越高，击穿电 压越低。 与半导体的禁带宽度有关*。同样的掺杂浓 度，禁带宽度大的半导体，击穿电压高
随温度的升高而增加 雪崩击穿时耗尽区的最大电场，称为临界电场， 用EmB表示： 1 8q E mB ( NB ) 8 0 r C i
xd
式中
微电子学院
E
Eg qd
表示三角势垒的平均电场
理想PN结直流伏安特性的定量分析.21
XD
Physics of Semiconductor device 二.Tunnel Breakdown
取禁带宽度 E g 1.0eV
d 10nm
则
E 10 V cm
6
耗尽区最大电场
E MAX
理想PN结直流伏安特性的定量分析.10
XD
Physics of Semiconductor device
一、Avalanche Breakdown
2.雪崩击穿电压
方法一：计算电离积分
①求解泊松方程，得到电场分布E(x)；
②找出电离率与电场的关系；
③求解电离积分。使电离积分等于1所对应的 反向电压即为击穿电压。 方法二：求解考虑碰撞电离的连续性方程，使电 流为无穷大时的反向电压即为击穿电压。
定义为 M I / I 0 ，式中I表示倍增后的电流，I0表示 没有发生倍增时的电流。 雪崩倍增因子与电离率的关系为：
M (1 eff dx) 1
0
xm
发生雪崩击穿时，M→∞，因 此，雪崩击穿的条件可表示为
xm
xm
0
eff
dx 1
积分
微电子学院
0
eff
dx 称为电离积分
xm
0
eff
dx
B 电离率强烈依赖于电 eff K E exp( ) 场，可用经验公式为 E
微电子学院 理想PN结直流伏安特性的定量分析.9
XD
Physics of Semiconductor device
一、Avalanche Breakdown （4）雪崩倍增因子M：描述电流倍增的程度
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.19
XD
Physics of Semiconductor device 二.Tunnel Breakdown
量子力学中的隧道效应
发生隧穿的条件
E
T e d
粒子
①势垒另一边同样能级的 位置存在着未填充状态
d
x
②势垒的宽度d必须很薄，只有d<10nm，量子 机制的隧穿效应才会较明显。
7 ②电场与电离率的关系近似为 eff C i E
xm
③电离积分
eff dx 2ci (
0
qN B
④击穿时，2ci (
qN B
r 0
4 )3VR
r 0
4 )3VB 1
所以击穿电压 VB (
微电子学院
r 0
q
) ( 2C i )
4
3
1
4
NB
3
4
理想PN结直流伏安特性的定量分析.12
0
因此，要发生雪崩击穿： 电场足够强，产生碰撞电离。 空间电荷区足够宽，引起雪崩倍增。 当外加反向偏压增加时，空间电荷区的电场增强，空间电荷 区的宽度增大。因此当反向电压增加到某一值时，就会发生 雪崩击穿。
微电子学院 理想PN结直流伏安特性的定量分析.8
XD
Physics of Semiconductor device
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.2
XD
Physics of Semiconductor device Junction Breakdown
Junction or Reverse-Bias Breakdown: current flowing in a pn-junction under reverse bias suddenly increases drastically if reverse bias is increased over the so-called breakdown voltage VBR; breakdown process is reversible if the junction is not overheated (current must be limited)
XD
Physห้องสมุดไป่ตู้cs of Semiconductor device Junction Breakdown
The basic breakdown processes are – Avalanching – Zener process
PN结电击穿一般不是破坏性的（除非电流非 常大*） ，即电击穿是一个可逆的过程。 结的击穿电压与PN结的结构以及掺杂分布有 明确的关系，结的击穿特性是可以预测的。
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.6
XD
Physics of Semiconductor device
一、Avalanche Breakdown
（2）雪崩倍增
碰撞电离产生的额外的载流子在耗尽层的电场立刻得到加速，随后它们 和原来的载流子一起继续碰撞电离而产生更多的载流子，导致耗尽区的 载流子滚雪球般增加，引起电流急剧增加，非常类似于山坡上的雪崩。
两边重掺杂的pn结，在不大的反偏电压下满足上 述条件。
理想PN结直流伏安特性的定量分析.20
XD
Physics of Semiconductor device 二.Tunnel Breakdown
E fp
Eg
En f
x0
32 4 2m * E g 遂穿几率 T exp 3qE
西安电子科技大学 微电子学院
Physics of Semiconductor Devices
双极型器件物理(双语)
游海龙
XD
Physics of Semiconductor device
第一章：PN结二极管
1－1 平衡PN结定性分析 1－2 平衡PN结定量分析 1－3 理想PN结直流伏安特性 1－4 实际（Si）PN结直流I-V特性与理想模型的偏离 1－5 PN结交流小信号特性 1－6 PN结瞬态特性 1－7 PN结击穿 1－8 二极管模型和模型参数
EmB (3 ~ 4) 105 V cm for Silicon
引入临界电场后，单边突变结的击穿电压可以简 单的表示为
VB
微电子学院
r 0
2qN B
E
2 mB
理想PN结直流伏安特性的定量分析.14
XD
Physics of Semiconductor device 一、Avalanche Breakdown
微电子学院 理想PN结直流伏安特性的定量分析.4
XD
Physics of Semiconductor device
第十讲 PN 击穿
1
Avalanche Breakdown
2
Tunnel Breakdown
3
Comparision
4
thermoelectricity Breakdown
Neamen（教材）,Chapter 8.1 ,Page 192-203； Aderson，Chapter 5.3.3，Page 263-273；
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.16
XD
Physics of Semiconductor device 一、Avalanche Breakdown
（1）结深的影响 由平面工艺制作 PN 结时，由于杂质的横向扩展， 在结面的四周和四角会形成柱面与球面。整个结面 可以看成平行平面结＋柱面结（球面结）
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.15
XD
Physics of Semiconductor device 一、Avalanche Breakdown
3.影响雪崩击穿的其它因素 前面的计算公式只适用于理想的平行平面结， 而且要求击穿时的空间电荷区的宽度小于中性 区的宽度。 平面工艺制成的 PN结，其击穿电压比理想 的平行平面结低。造成这种情况的因素很多， 这里仅讨论几种主要因素：结深和中性区厚度 的影响。
微电子学院 理想PN结直流伏安特性的定量分析.5
XD
Physics of Semiconductor device
一、Avalanche Breakdown
1.雪崩击穿－定性分析 （1）碰撞电离
载流子在通过空间电荷区时，由于电场的作用，其能量会增加。但是其 能量的增加不是持续的，因为载流子要不断地与晶格发生碰撞而伴随着 能量的损失。如果电子在两次碰撞之间从电场获得的能量足够大，每次 碰撞后传递给晶格的能量足够使一个半导体原子电离化，即使原子释放 出一个价带电子，或者说引起一个电子从价带跃迁到导带，从而产生一 个电子－空穴对。这种现象称为碰撞电离。
一、Avalanche Breakdown （3）电离率：描述碰撞电离的能力
定义为一个载流子在电场的作用下，漂移单 位距离所产生的电子－空穴对的数目。
通常电子的电离率 n 大于空穴的电离率 p ， 可以假设 n p eff 一个载流子通过空间电 荷区时由于碰撞电离产 生的电子－空穴对数为
xj
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.17
XD
Physics of Semiconductor device
一、Avalanche Breakdown
（2）外延层厚度对击穿电压的影响 要求：w xmB
p
E ( x)
n
n
E mB
p
w
n
n
w
xmB
1 当 w xmB时，VB xmB EmB 当 w xmB时， 2 EmB 1 w 2 ' VB VB ( xmB w ) ( xmB w ) VB [1 (1 ) ] VB 2 xmB xmB
XD
Physics of Semiconductor device 一、Avalanche Breakdown
雪崩击穿电压
与掺杂浓度有关，掺杂浓度越高，击穿电 压越低。 与半导体的禁带宽度有关*。同样的掺杂浓 度，禁带宽度大的半导体，击穿电压高
随温度的升高而增加 雪崩击穿时耗尽区的最大电场，称为临界电场， 用EmB表示： 1 8q E mB ( NB ) 8 0 r C i
xd
式中
微电子学院
E
Eg qd
表示三角势垒的平均电场
理想PN结直流伏安特性的定量分析.21
XD
Physics of Semiconductor device 二.Tunnel Breakdown
取禁带宽度 E g 1.0eV
d 10nm
则
E 10 V cm
6
耗尽区最大电场
E MAX
理想PN结直流伏安特性的定量分析.10
XD
Physics of Semiconductor device
一、Avalanche Breakdown
2.雪崩击穿电压
方法一：计算电离积分
①求解泊松方程，得到电场分布E(x)；
②找出电离率与电场的关系；
③求解电离积分。使电离积分等于1所对应的 反向电压即为击穿电压。 方法二：求解考虑碰撞电离的连续性方程，使电 流为无穷大时的反向电压即为击穿电压。
定义为 M I / I 0 ，式中I表示倍增后的电流，I0表示 没有发生倍增时的电流。 雪崩倍增因子与电离率的关系为：
M (1 eff dx) 1
0
xm
发生雪崩击穿时，M→∞，因 此，雪崩击穿的条件可表示为
xm
xm
0
eff
dx 1
积分
微电子学院
0
eff
dx 称为电离积分
xm
0
eff
dx
B 电离率强烈依赖于电 eff K E exp( ) 场，可用经验公式为 E
微电子学院 理想PN结直流伏安特性的定量分析.9
XD
Physics of Semiconductor device
一、Avalanche Breakdown （4）雪崩倍增因子M：描述电流倍增的程度
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.19
XD
Physics of Semiconductor device 二.Tunnel Breakdown
量子力学中的隧道效应
发生隧穿的条件
E
T e d
粒子
①势垒另一边同样能级的 位置存在着未填充状态
d
x
②势垒的宽度d必须很薄，只有d<10nm，量子 机制的隧穿效应才会较明显。
7 ②电场与电离率的关系近似为 eff C i E
xm
③电离积分
eff dx 2ci (
0
qN B
④击穿时，2ci (
qN B
r 0
4 )3VR
r 0
4 )3VB 1
所以击穿电压 VB (
微电子学院
r 0
q
) ( 2C i )
4
3
1
4
NB
3
4
理想PN结直流伏安特性的定量分析.12
0
因此，要发生雪崩击穿： 电场足够强，产生碰撞电离。 空间电荷区足够宽，引起雪崩倍增。 当外加反向偏压增加时，空间电荷区的电场增强，空间电荷 区的宽度增大。因此当反向电压增加到某一值时，就会发生 雪崩击穿。
微电子学院 理想PN结直流伏安特性的定量分析.8
XD
Physics of Semiconductor device
微电子学院
理想PN结直流伏安特性的定量分析.2
XD
Physics of Semiconductor device Junction Breakdown
Junction or Reverse-Bias Breakdown: current flowing in a pn-junction under reverse bias suddenly increases drastically if reverse bias is increased over the so-called breakdown voltage VBR; breakdown process is reversible if the junction is not overheated (current must be limited)
合集下载
PN结的击穿
如果有雪崩倍增后，通过PN结的电流为 I ，那么雪崩倍增因子 可定义为
I M＝ I0
(2.4.15)
图2.4.7为PN结碰撞电离电流示意图 图中实线表示电子电流，虚线表示 空穴电流。从图看出，越接近N区， 电子电流密度越大，越接近P区，空 穴电流密度越大。 根据电流的连续性原理，在任一截面 上，总电流是相同的。如果我们假设 PN结的横截面积等于一个单位面积， 那么通过PN结x点的总电流 应为x点 的电子电流和空穴电流之和：
(2.4.4)
把突变结空电区中的电场分布画于图2.4.5中 可以看出，电场E在PN结两边随x线性分布，在势垒边界处为零。 从式(2.4.3) 和(2.4.4)也可以看出：E∝x , 在 –xp＜x＜0 范围内，斜率 为负；在0＜x＜xn范围内，斜率为正；在x=0处，电场有最大值—— EM ，图2.4.5中直线的斜率正比于两边的掺杂浓度 ND和NA。 电场强度E在势垒区的积分就表示PN 结两边的电位差。对平衡PN结，N区和P 区的电位差就是接触电势差VD；当PN结 外加电压V时，N区和P区的电位差就等 于VD-V。PN结正偏时V＞0，N区和P区 的电位差就减小；PN结反偏时V＜0，N 区和P区的电位差就增大，所以有
d
Eg qE
（2.4.13）
电场越强，能带越倾斜，隧道就越短。因此只要电场足够强，价带 的电子就可以大量穿透禁带，进入导带，引起隧道击穿。 隧道击穿与雪崩击穿的主要区别如下： 隧道 仅取决于 不受光照 温度升高，击穿电压下降 击穿 最大电场E 影响 T↑,V ↓
B
与电场E及 受光照影 温度升高，击穿电压升高 响 空电区宽 T↑,VB↑ 度xm有关 击穿电压低于 4E g q 时，击穿机构是隧道击穿； 雪崩 击穿
击穿电压高于 6E g q 时，击穿机构是雪崩击穿； 击穿电压在 4Eg q ～ 6E g q 时，两种击穿机构同时起作用。
人教版高中物理必修部分第10讲A1
考源教学资源网
第8页
返回导航
第十章
交变电流
传感器
高考进行时 一轮总复习· 物理（新课标通用版）
§ 10.1
交变电流的产生和描述
知识梳理
考点题组
思维深化
误区反思
高效作业
考源教学资源网
第9页
返回导航
选修3-2 第十章 § 10.1
高考进行时 一轮总复习· 物理（新课标通用版）
高考进行时 一轮总复习· 物理（新课标通用版）
选修必考部分
选修3-2
考源教学资源网
第1页
返回导航
第十章
交变电流
传感器
高考进行时 一轮总复习· 物理（新课标通用版）
第十章
交变电流
传感器
考源教学资源网
第2页
返回导航
第十章
交变电流
传感器
高考进行时 一轮总复习· 物理（新课标通用版）
知识梳理
阅读识记
对应学生书P217
轻轻松松温教材·提纲挈领学要点
考源教学资源网
第10页
返回导航
选修3-2 第十章 § 10.1
高考进行时 一轮总复习· 物理（新课标通用版）
一、交变电流的产生和变化规律 1．交变电流 大小和 方向 都随时间做 周期性变化的电流叫做交变电 流． 2．正弦交变电流的产生 将线圈置于 匀强磁场 中，并绕垂直于磁感线的轴 匀
考源教学资源网
第15页
返回导航
选修3-2 第十章 § 10.1
高考进行时 一轮总复习· 物理（新课标通用版）
考点题组
对点落实
对应学生书P218
考点分类抓基础·点点击破我能行
考源教学资源网
气体击穿理论
一、原子的激励和电离 二、气体中质点的自由行程 三、气体中带电质点的产生 四、金属的表面电离
一、原子的激励和电离
（一）原子的能级
原子结构： 电子具有确定的能量（位能和动能），通常轨道半 径越小，能量越小；电子的能量只能取一系列不连续的确 定值（量子化）；原子的位能（内能）取决于其中电子的 能量，当各电子具有最小的能量，即位于离原子核最近的 各轨道上时，原子的位能最小；正常状态下原子具有最小 位能。当电子从其轨道跃迁到标志着能量更高的离原子核 较远的轨道上时，原子的位能也相应增加，反之亦然。
（一）原子的能级
能级：根据其中电子的能量状态，原子具有一系列 可取的确定的能量状态，称为原子的能级。
电子伏（eV）：微观系统中的能量单位为电子伏； 1 eV的能量相当于一个电子在电场作用下行经1V电位差 所获得的能量。电子的电荷为1.610-19C。所以：
（二）原子的激励
激励：在外界因素作用下，原子中的电子从较低能 级跃迁到较高能级的过程。
强的外电场使阴极放射出电子，称为场致发射或冷发射。 由于场致发射所需外电场极强，在107 V/cm数量级，
所以在一般气体间隙的击穿过程中不会发生。（高气压、 高真空） （四）热电子放射
热电子放射：阴极达到很高温度时，其中电子可获得 巨大动能而逸出金属，称为热电子放射。
第三节 带电质点的消失
三种方式： 1、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于
生电荷的传递而互相中和，并还原为原子或分子的过 程称为复合。
带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
均匀电场中气体的击穿：汤逊气体放电理论；流注理 论。这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压力和 极间距离的乘积）范围内气体放电的现象。
一、原子的激励和电离
（一）原子的能级
原子结构： 电子具有确定的能量（位能和动能），通常轨道半 径越小，能量越小；电子的能量只能取一系列不连续的确 定值（量子化）；原子的位能（内能）取决于其中电子的 能量，当各电子具有最小的能量，即位于离原子核最近的 各轨道上时，原子的位能最小；正常状态下原子具有最小 位能。当电子从其轨道跃迁到标志着能量更高的离原子核 较远的轨道上时，原子的位能也相应增加，反之亦然。
（一）原子的能级
能级：根据其中电子的能量状态，原子具有一系列 可取的确定的能量状态，称为原子的能级。
电子伏（eV）：微观系统中的能量单位为电子伏； 1 eV的能量相当于一个电子在电场作用下行经1V电位差 所获得的能量。电子的电荷为1.610-19C。所以：
（二）原子的激励
激励：在外界因素作用下，原子中的电子从较低能 级跃迁到较高能级的过程。
强的外电场使阴极放射出电子，称为场致发射或冷发射。 由于场致发射所需外电场极强，在107 V/cm数量级，
所以在一般气体间隙的击穿过程中不会发生。（高气压、 高真空） （四）热电子放射
热电子放射：阴极达到很高温度时，其中电子可获得 巨大动能而逸出金属，称为热电子放射。
第三节 带电质点的消失
三种方式： 1、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于
生电荷的传递而互相中和，并还原为原子或分子的过 程称为复合。
带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
均匀电场中气体的击穿：汤逊气体放电理论；流注理 论。这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压力和 极间距离的乘积）范围内气体放电的现象。
耐压试验击穿原理与影响因素（贾）
耐压试验基础原理：严格地讲，不含水分、灰尘和纤维等杂质的纯净油，击穿起始于个别油分子在电场中的极化、电离，其化学组成对击穿电压影响不大，不同牌号和产地的绝缘油应该具有大致相同的击穿电压，并且同一试样平行试验结果的分散性也不大，击穿电压值能达到200k V以上(电极距离2.5mm)。
但实际应用中的油和“纯净油”有极大的不同，用目前世界上最先进的净化设备多次处理后的绝缘油，其含水量也往往大于2mg/kg，每100mL油中长度大于5μm的杂质颗粒不少于数千个;另外在取样测定过程中油样也不可避免地与周围大气接触，大气中的水分、飘尘会不可避免地混入油中。
这些油中的杂质和溶解于油并与油分子紧密结合的水分子，在纯净的油分子远未在电极之间极化和电离之前，就沿电场强度方向排列、聚集，进而电离形成微小通路，即所谓“小桥”，小通路连接贯穿两极，导致油迅速击穿。
油中杂质越多，越易形成小桥，击穿电压越低。
测定绝缘油的击穿电压，实际上是在衡量绝缘油中杂质含量的多少，即判断绝缘油被污染的程度。
油的击穿过程实际上是随机的，与油隙电场的瞬间状态密切相关。
油中杂质分布的不均匀性和杂质颗粒的运动，导致油隙间杂质颗粒的分布随时间改变而不同，因此小桥在电场中的位置是不可预知的。
尤其是对于平板倒角形电极而言，相对均匀的电场比球形和球盖形电极所形成的同等强度的电场所占的空间体积要大得多，小桥形成的位置更加不可预知，形成的概率也要大得多。
这也是平板倒角形电极测定油的击穿电压值比另两种电极的测定值低的根本原因。
由以上击穿机理的分析，我们可以得知油隙的击穿虽然是短暂的一瞬间，其过程却是复杂的，即使是一杯试样，在多次击穿试验中的测得值也是分散性很大的，各种试验标准都规定取6次试验的平均值作为试验结果，这种规定在一般的测试中是不多见的。
把一些显而易见的影响因素作人为的严格规定，使这些因素对结果的影响维持在一个恒定的水平是十分必要的。
耐压仪数据偏低操作注意事项：1、电极间距是否正常。
晶体材料基础---第十讲 晶体生长方法(2)
生长出了3英寸6H-SiC单晶。
SiC光电元器件
SiC肖特基二 极管
3英寸SiC的场效应 管基片
SiC二极管与传统Si二极管的比较
物理气相传输法（PVT）：
核心装置如右图所示：
SiC 原料的升华和晶体的再生长在一 个封闭的石墨坩埚内进行，坩埚处于 高温非均匀热场中。 SiC 原料部分处 于高温中，温度大约在 2400~2500 摄
将炉 温 控制至 1160℃,
GaN单晶 0.5μm
在 GaN 缓 冲 层 上 生 长
一层 0.5μm 厚的 GaN 单 晶。
蓝宝石衬底(430μm)
标准GaN外延生长流程
（五）长N型GaN 将炉温控制至 1160℃， 长 GaN 的同时掺 Si （浓 度 5-108/cm3 ） ， 时 间 1
蓝宝石衬底(430μm)
（3）可能排除有害气体。
标准GaN外延生长流程
（一）高温除杂
反应室炉温升高1200℃，
通入氢气，高温、燃烧除
去衬底上的杂质，时间 10min。
蓝宝石衬底 (430±5μm)
高温、通H2 10min
标准GaN外延生长流程
（二）长缓冲层 炉温降底控制在 530℃ 时 ， 在 蓝 宝 石 衬底上生长一层300Å
氏度。碳化硅粉逐渐分解或升华，产
生 Si 和 Si 的碳化物混合蒸汽，并在温 度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温区
域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长
为晶体。
2. 溅射法
溅射法是利用荷电粒子 在加速电场作用下轰击靶材， 使靶材中的原子被溅射出来， 并在衬底上沉积，实现晶体 生长的技术。 需注意的问题：
溅射法晶体生长 基本原理
N－GaN GaN 蓝宝石衬底(430μm)
氧化层击穿原理ppt课件
在未进行温度偏压（BT）处理前， Na+大多数集中在SiO2与金属界面靠 近金属的陷阱内，对硅表面性质影响不大。
在正BT处理后（温度一般为150~200℃），这些Na+可以被激活而离开陷 阱，在SiO2网络的孔洞之间向Si-SiO2界面运动，绝大多数集中在SiSiO2界面在靠近硅一侧的SiO2层中，将在Si表面感应出负电荷，使双极 型器件出现表面沟道或引起击穿电压的蠕变，使MOS器件的阈值电压不 稳定。此外，还会导致SiO2的过早击穿，降低SiO2层的介电强度。
26 2005-4
3. 氧化硅的击穿模型
（4）空穴电流的产生
电子到达阳极时将能量释放给界面的晶格，破坏Si-O键，产生界面态。 部分电子将获得的能量释放给阳极界面一侧硅中价带的电子，使其激发 到导带底，因此产生的“热”空穴在电场作用下又隧穿进入氧化层。
（5）陷阱对载流子的俘获和释放
在氧化硅中输运的电子和空穴被不断产生的陷阱和已有的陷阱俘获，形 成陷阱电荷。而陷阱内的电子或空穴也可能被输运载流子碰撞而释放出 来。
任娜-weekly-report-20121110 氧化层击穿原理研究
1
Outline
1. 氧化硅的结构和性质 2. Si-SiO2系统 3. 氧化硅的击穿模型 4. 检测氧化硅质量的方法
2 2005-4
1. 氧化硅的结构和性质
（1）二氧化硅的结构
二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构，基本单元是一个由Si-O原子组成 的正四面体，硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于四个角顶，两个 相邻的四面体通过一个桥键氧原子连接起来构成无规则排列的二维网络 结构。
且为简单起见暂时忽略ms20精选编辑ppt氧化硅的击穿模型图12an衬底积累bn衬底反型cp衬底反型dp衬底积累21精选编辑ppt氧化硅的击穿模型2氧化硅中电子的遂穿以npolysio2si结构为例硅与氧化硅之间形成的势垒高度b325v在一定栅压vg下当加在mos电容氧化层上的电压voxb时电子穿过三角形势垒注入到sio2的导带中形成可测量的fowlernordheim隧穿电流voxb时由阴极发射的电子穿过梯形势垒直接隧穿如果氧化层厚度5nm隧穿几率很小直接隧穿电流可以忽略不计
在正BT处理后（温度一般为150~200℃），这些Na+可以被激活而离开陷 阱，在SiO2网络的孔洞之间向Si-SiO2界面运动，绝大多数集中在SiSiO2界面在靠近硅一侧的SiO2层中，将在Si表面感应出负电荷，使双极 型器件出现表面沟道或引起击穿电压的蠕变，使MOS器件的阈值电压不 稳定。此外，还会导致SiO2的过早击穿，降低SiO2层的介电强度。
26 2005-4
3. 氧化硅的击穿模型
（4）空穴电流的产生
电子到达阳极时将能量释放给界面的晶格，破坏Si-O键，产生界面态。 部分电子将获得的能量释放给阳极界面一侧硅中价带的电子，使其激发 到导带底，因此产生的“热”空穴在电场作用下又隧穿进入氧化层。
（5）陷阱对载流子的俘获和释放
在氧化硅中输运的电子和空穴被不断产生的陷阱和已有的陷阱俘获，形 成陷阱电荷。而陷阱内的电子或空穴也可能被输运载流子碰撞而释放出 来。
任娜-weekly-report-20121110 氧化层击穿原理研究
1
Outline
1. 氧化硅的结构和性质 2. Si-SiO2系统 3. 氧化硅的击穿模型 4. 检测氧化硅质量的方法
2 2005-4
1. 氧化硅的结构和性质
（1）二氧化硅的结构
二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构，基本单元是一个由Si-O原子组成 的正四面体，硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于四个角顶，两个 相邻的四面体通过一个桥键氧原子连接起来构成无规则排列的二维网络 结构。
且为简单起见暂时忽略ms20精选编辑ppt氧化硅的击穿模型图12an衬底积累bn衬底反型cp衬底反型dp衬底积累21精选编辑ppt氧化硅的击穿模型2氧化硅中电子的遂穿以npolysio2si结构为例硅与氧化硅之间形成的势垒高度b325v在一定栅压vg下当加在mos电容氧化层上的电压voxb时电子穿过三角形势垒注入到sio2的导带中形成可测量的fowlernordheim隧穿电流voxb时由阴极发射的电子穿过梯形势垒直接隧穿如果氧化层厚度5nm隧穿几率很小直接隧穿电流可以忽略不计
气体电介质的击穿 液体电介质的击穿 固体电介质的击穿
第5章电介质的击穿气体电介质的击穿液体电介质的击穿固体电介质的击穿¾电介质的击穿介质发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加，通常以介质伏安特性斜率趋向于∞（即dI/dU=∞）——击穿发生的标志。
¾击穿电压¾击穿场强：电介质的击穿场强是电介质的基本电性能之一，它决定了电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力。
5.1 气体电介质的击穿¾正常气体中的载流子(离子和电子)在外电场作用下迁移，形成电流电流随电压增加而增加电离产生的载流子来不及复合，全部到达电极气体中出现碰撞电离，载流子浓度增大，电流不再保持恒定而迅速上升载流子数剧增，气体中的电流无限增大(dI/dU→∞)——丧失绝缘性能。
气体击穿（气体放电）：气体由绝缘状态变为良导电状态的过程。
击穿场强：均匀电场中击穿电压与气体间隙距离之比.击穿场强反映了气体耐受电场作用的能力，即气体的电气强度。
平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比称¾气体发生击穿时除电流剧增外，通常还伴随有发光及发热等现象。
5.1.1 均匀电场中气体击穿的理论1.气体击穿的汤逊（Townsend）理论电子崩形成过程(电子倍增过程)（1）电子崩与电流倍增外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多的电子。
α如电离系数为，则从阴极出发的一个电子，行经单位距离后增加为2α个电子。
类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。
电子崩模型右图所示，在电子崩发展过程中，崩头最前面集中着电子，其后直到崩尾是正离子。
在强电场中出现电子崩α的过程称为过程。
这样的放电依赖于外界条件的，也称为非自持放电.（2）气体的自持放电实验发现，当气隙不太宽时，放电与电极材料有关，因而导致考虑γ过程的作用，由γ过程和过程一起来决定气隙中的电流。
动车组检测与故障诊断第十讲故障诊断方法的分类
9
（2）、专家系统故障诊断方法
故障诊断系统的专家系统主要由知识库、知 识处理模块、诊断推理模块、人机接口等部 分组成，总体结构如下图 ：
10
1）专家系统中的知识库
知识库是专家系统的核心部分, 它的完善 与否决定了专家系统的工作能力及效率。
通常专家系统知识库的存储采用链表形 式，知识库的扩充、删除、修改等操作 实质上是插入、删除和修改链表的一个 节点。
11
2）专家系统知识库结构图
12
3）专家系统知识库的建立
例如：受电弓的故障原因结构图
13
4）规则：
规则1: 如果 弓网接触力不正常
且 受电弓电流不正常
且 弓头振幅不正常
则 受电弓离线------受电弓故障
规则2: 如果 受电弓汽缸气压不正常
且 升不起弓
则 受电弓汽缸故障
规则3: 如果 滑板厚度不正常
基于信号处理的方法主要有：
2
1）小波变换方法
小波变换是一种时－频分析方法。 故障诊断时，对采集的信号进行小波变
换，在变换后的信号中除去由于输入变 化引起的奇异点，剩下的奇异点即为系 统发生的故障点。 基于小波变换的方法可以区分信号的突 变和噪声，故障检测灵敏准确，克服噪 声能力强。
3
2）主元分析方法
17
3、专家系统进行故障诊断的过 程
专家系统工作，就是模拟人类专家进行思 维。所以，专家系统进行故障诊断的过程 应该如下图所示：
18
（3）、故障树故障诊断方法
故障树分析法是从果到因的分析方法，它以 故障模式影响与后果分析法为基础，对系统 故障形成的原因采用从整体到局部按树技状 逐渐细化分析的过程。
22
建树的主要步骤：
(3)构造故障树 由顶事件出发，逐级找出各级事件的全部直
（2）、专家系统故障诊断方法
故障诊断系统的专家系统主要由知识库、知 识处理模块、诊断推理模块、人机接口等部 分组成，总体结构如下图 ：
10
1）专家系统中的知识库
知识库是专家系统的核心部分, 它的完善 与否决定了专家系统的工作能力及效率。
通常专家系统知识库的存储采用链表形 式，知识库的扩充、删除、修改等操作 实质上是插入、删除和修改链表的一个 节点。
11
2）专家系统知识库结构图
12
3）专家系统知识库的建立
例如：受电弓的故障原因结构图
13
4）规则：
规则1: 如果 弓网接触力不正常
且 受电弓电流不正常
且 弓头振幅不正常
则 受电弓离线------受电弓故障
规则2: 如果 受电弓汽缸气压不正常
且 升不起弓
则 受电弓汽缸故障
规则3: 如果 滑板厚度不正常
基于信号处理的方法主要有：
2
1）小波变换方法
小波变换是一种时－频分析方法。 故障诊断时，对采集的信号进行小波变
换，在变换后的信号中除去由于输入变 化引起的奇异点，剩下的奇异点即为系 统发生的故障点。 基于小波变换的方法可以区分信号的突 变和噪声，故障检测灵敏准确，克服噪 声能力强。
3
2）主元分析方法
17
3、专家系统进行故障诊断的过 程
专家系统工作，就是模拟人类专家进行思 维。所以，专家系统进行故障诊断的过程 应该如下图所示：
18
（3）、故障树故障诊断方法
故障树分析法是从果到因的分析方法，它以 故障模式影响与后果分析法为基础，对系统 故障形成的原因采用从整体到局部按树技状 逐渐细化分析的过程。
22
建树的主要步骤：
(3)构造故障树 由顶事件出发，逐级找出各级事件的全部直
pn结击穿
LOGO
Contents
1
&6.41 雪崩击穿
LOGO
倍增效应
当反向偏压很大时， 当反向偏压很大时，势 垒区中的电场很强， 垒区中的电场很强，在 势垒区内的电子和空穴 由于受到强电场的漂移 作用，具有很大的动能， 作用，具有很大的动能， 它们与势垒区内的晶格 原子发生碰撞时， 原子发生碰撞时，能把 价键上得电子碰撞出来， 价键上得电子碰撞出来， 成为导电电子， 成为导电电子，同时产 生一个空穴。 生一个空穴。这些新产 生的电子-空穴对再从 生的电子 空穴对再从 电场中获得动能， 电场中获得动能，进一 步产生电子-空穴对 空穴对。 步产生电子 空穴对。 如此继续下去，载流子 如此继续下去， 就大量增加。 就大量增加。
LOGO
隧道击穿的特点： 隧道击穿的特点： 一般在重掺杂，反向偏压也不高的情况下 一般在重掺杂，反向偏压也不高的情况下 隧道击穿是主要的，实验表明， 隧道击穿是主要的，实验表明，对于重掺 杂的锗， 杂的锗，硅pn结，当击穿电压 V < 4 E q 结 6E V > 一般为隧道击穿， 时，一般为隧道击穿，当 q 时，一般为雪崩击穿；若在二者之间，则 一般为雪崩击穿；若在二者之间， 为两种击穿都存在。 为两种击穿都存在。
电流增大的原因： 电流增大的原因： 是载流子数目的增加， 是载流子数目的增加， 而不是迁移率的增大。 而不是迁移率的增大。
LOGO
Contents
1 2 3
&6.41 雪崩击穿 &6.42 隧道击穿 &6.43 热电击穿
LOGO
Contents
2
&6.42 隧道击穿
半导体物理pn结击穿
pn结正向偏置时的载流子运动
导通状态下的复合发光
• 显示三并150A均流特性
• 作业
4-14、 20、 21
用下，大量电子直接从p区价带穿过禁带 进入n区导带，引起反向电流急剧增大。
3、发生隧道击穿的条件
• 1）高反压使n侧导带底低于p侧价带顶;
• 2）重掺杂使空间电荷区相当窄，载流子易于隧穿.
根据量子力学的隧穿几率公式
XD
x
P
exp[
4
(
2mn* h2
)1/
2
xn
(
E
(
x)
E
1/
)
2
dx]
xp
可以算得p区价带电子隧穿宽度为x
§4.4 pn结击穿
I
实验现象
• 当施加在pn结上的反向偏
压增大到某值时, 反向电
流突然迅速增大。
UB
• 称此现象为pn结击穿。
U
• 发生击穿时的偏压UB 称
为pn结的击穿电压。
击穿本质：由于载流子数目的增加。
击穿的三种模式：雪崩击穿 （avalanche breakdown）
隧道击穿 （tunnel breakdown)
(3)继续增大正向电压，势垒高度不断下降，有更多的电 子从n区穿过隧道到p区的空量子态，使隧道电流不断增 大。当正向电流增大到JP时，达时p区的费米能级与n区 导带底一样高，n区的导带和p区的价带中能量相同的量 子态达到最多，n区的导带中的电子可能全部穿过隧道到 p区价带中的空量子态去，正向电流达到极大值Jp，这时 对应于特性曲线的点2，
的势垒到达n区的隧穿几率：
－qU
P
exp[ 8
3
(