突变pn结的击穿电压
pn结击穿电压公式
pn结击穿电压公式1. PN结击穿的类型。
- 雪崩击穿。
- 当反向电压增大到一定程度时，PN结内的电场很强，使得载流子在电场作用下获得足够大的能量，与晶体原子发生碰撞，从而产生新的电子 - 空穴对。
新产生的载流子在电场作用下又会碰撞出更多的电子 - 空穴对，这种连锁反应就像雪崩一样，导致反向电流急剧增大，发生雪崩击穿。
- 对于单边突变结（例如P^+N结，P^+表示重掺杂的P区），雪崩击穿电压V_BR的近似公式为：V_BR≈frac{ε_sE_crit^2}{2q}((N_B)/(N_D))^ - (1)/(s)，其中ε_s是半导体的介电常数，E_crit是临界击穿电场强度，q是电子电荷量，N_B和N_D 分别是基区和掺杂区的杂质浓度，s是与半导体材料和结的类型有关的常数（对于硅s = 6）。
- 齐纳击穿。
- 在重掺杂的PN结中，由于耗尽层很窄，在反向电压作用下，耗尽层中的电场非常强，能够直接将价带中的电子拉到导带，从而产生大量的电子 - 空穴对，使反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。
- 齐纳击穿电压V_Z与半导体的禁带宽度E_g、杂质浓度N等因素有关。
对于硅材料，齐纳击穿电压较低（一般小于6V左右），而雪崩击穿电压相对较高。
在实际的PN结中，当击穿电压V_BR在6V左右时，雪崩击穿和齐纳击穿可能同时存在。
2. 影响PN结击穿电压的因素。
- 掺杂浓度。
- 对于雪崩击穿，随着掺杂浓度的增加，击穿电压降低。
因为掺杂浓度增加，耗尽层宽度变窄，载流子在较短的距离内就能够获得足够的能量发生雪崩倍增。
- 对于齐纳击穿，重掺杂会使耗尽层宽度极窄，从而更容易发生齐纳击穿，即齐纳击穿电压会随着掺杂浓度的增加而降低。
- 半导体材料。
- 不同的半导体材料具有不同的禁带宽度E_g、介电常数ε_s和电子迁移率等参数。
例如，硅（Si）和锗（Ge）的禁带宽度不同，这会影响到它们的击穿电压。
硅的禁带宽度比锗大，在相同的掺杂浓度和结构下，硅PN结的击穿电压相对较高。
pn结的特性,PN结的击穿特性,PN结的电容特性
pn结的特性,PN结的击穿特性,PN结的电容特性
当反向电压增大到一定值时，PN 结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增加，这种现象称为PN 结的击穿，反向电流急剧增加时所对应的电压称为反向击穿电压，如上图所示，PN 结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种。
1、雪崩击穿：阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一
定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子—空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急剧增加，象雪崩一样。
雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN 结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。
2、齐纳击穿：当PN 结两边掺杂浓度很高时，阻挡层很薄，不易产生碰撞电离，但当加不大的反向电压时，阻挡层中的电场很强，足以把中性原子中的价电子直接从共价键中拉出来，产生新的自由电子—空穴对，这个过程称为场致激发。
一般击穿电压在6V 以下是齐纳击穿，在6V 以上是雪崩击穿。
3、击穿电压的温度特性：温度升高后，晶格振动加剧，致使载流子运动的平均自由路程缩短，碰撞前动能减小，必须加大反向电压才能发生雪崩击穿具有正的温度系数，但温度升高，共价键中的价电子能量状态高，从而齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负的温度系数。
6V
左右两种击穿将会同时发生，击穿电压的温度系数趋于零。
4、稳压二极管：PN 结一旦击穿后，尽管反向电流急剧变化，但其端电压几乎不变（近似为V(BR)，只要限制它的反向电流，PN 结就不会烧坏，利用这一特性可制成稳压二极管，其电路符号及伏安特性如上图所示：其主要参数有：VZ 、Izmin 、Iz 、Izmax。
PN结的击穿电压
1.首先你要弄清楚高压功率器件的电压支持层的结构，然后分析这种结构随着器件击穿电压的提高会有什么局限，解决或则克服这种局限就是研究的目的和意义2.一个PN结二极管的击穿电压跟哪些因素有关系，如果要提高这些电压会带来什么问题3.自己对自己提出一个制作指标，比如做一个300v的pn结二极管用传统结构和自己看到的新的结构做个对比。
（500v，700v ）4.用软件仿真出来····提高他的击穿电压将磷(P)+锑(Sb)、砷(As)等5价原子的杂质少量地掺进锗或硅的纯晶体中可以形成;另一方面,掺人3价原子硼(B)、镓(Ga)此类提供空穴的杂质称为受主杂质.其中,拥有负(Negative)电荷的自电荷角色的空穴担负着传导电流的作用。
pn结加上反向电压是有很小的反向电流，并随反偏电压的增加趋于饱和。
若进一步增大反偏电压，当其中大小增大到某一定值V B时，则反向电流急剧增大，这种现象称为pn结的击穿，V B称为pn结的击穿电压。
PN 结的击穿特性曲线热击穿击穿机理隧道击穿主要发生在耐压小于7v的低压器件中雪崩击穿主要是大于100V 的高压器件这就是一个PN接二极管使半导体器件耐压受到限制的击穿有：雪崩击穿与隧道击穿（齐纳击穿）。
隧道击穿主要发生在耐压小于7v的低压器件中；雪崩击穿主要是大于100V 的高压器件。
击穿电压与温度的关系：由于温度的升高，电离率会下降，因此雪崩击穿电压随温度的升高而增加。
根据样品表面的颜色可判断氧化层的厚度•横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况由LSS理论计算得到的硼、磷和砷入射到无定形硅靶中ΔR┴与入射能量的关系如图所示功率半导体器件结构特性表。
pn结击穿机理
PN 结击穿机理
PN 结击穿是指当反向电压增大到一定值时，PN 结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为 PN 结的击穿。
PN 结的击穿主要有两种类型：雪崩击穿和齐纳击穿。
1. 雪崩击穿：阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子 - 空穴对。
在新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其他中性原子，又产生新的电子空穴对。
这种连锁反应引起载流子数目剧增，从而导致击穿。
2. 齐纳击穿：当反向电压增大到一定程度，PN 结内部的电场强度足够破坏共价键，使电子从原子中解离出来。
这些电子在电场作用下迅速移动，与价带中的空穴相遇，形成大量的电子空穴对。
电子空穴对在电场作用下加速运动，碰撞到中性原子时，将其中的电子撞出，形成更多的电子空穴对。
这样，击穿电流迅速增加，直至达到 PN 结的承受极限。
PN 结击穿机理是由于反向电压作用下，PN 结内部电场强度增大，导致载流子数目剧增，从而引发雪崩击穿或齐纳击穿。
这两种击穿机理的共同特点是，当反向电压达到一定值时，PN 结的反向电流急剧增大，最终导致 PN 结的击穿。
pn结知识点
两边浓度相差很多，若p区的受主杂质浓度较大，为p+n结。
氧化、光刻、扩散等工艺。
其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。
缓变结
在这种结中，杂质浓度从p（n）区到n（p）区是逐渐变化的，通常称为缓变结。
空间电荷区
单独的n型或者p型半导体是电中性的（平衡状态）。
当两块半导体结合形成之间存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n区，电子从
一般室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载流子浓度比起数载流子浓度小很多，好像已经耗尽了。
所以通常也称势垒区为
很小，可以忽略，空间电荷密度就等于电离杂质浓度。
结电流电压特性
1.在非平衡载流子存在的区域内，必须用电子的准费米能级Efn
与正向偏压相似，位置不同。
结模型及其电流电压方程
假设条件
小注入条件
突变耗尽层条件
通过耗尽层的电子和空穴电流为常量
1.突变结的势垒宽度与势垒区上的总电压的平方根成正比。
谷值电流与电压。
PN结的反向击穿
PN结的形成原理就不做过多的赘述了，只说它的击穿特性。
击穿特性只需要记住一点，那就是加上反向电压。
当PN结上加反向电压，PN结有电流流过，此时的反向电流在反向电压很小时，保持一个较小的值。
当反向电压增大到一定数值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结的反向击穿。
如下图所示：。
表示。
反向击PN结出现击穿时两端所加的反向电压称为击穿电压，用VB穿又根据击穿条件不同可分为雪崩击穿和齐纳击穿两类。
(1)雪崩击穿。
当反向电压较高时，空间电荷区的电场强度增强，从而使得PN结内载流子获得很大的动能。
当它与结内原子发生直接碰撞时，将原子电离，产生新的“电子一空穴对”，这种现象叫做碰撞电离。
如果空间电荷区足够宽，载流子发生多次碰撞，碰撞电离导致空间电荷区载流子迅速增加，就像雪崩一样，称为雪崩倍增。
由于载流子雪崩倍增，使得反向电流迅速增大，从而发生击穿，这就是雪崩击穿。
(2)齐纳击穿，有些资料称之为隧道击穿。
齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内。
由于掺杂浓度很高，PN结很窄，这样即使施加较小的反向电压，结层中的电场却很强。
在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿现象。
这种情况对应的实际应用就是齐纳二极管，就是我们日常使用的稳压二极管，当反向电压增加到一定值，电流迅速增加，但是电压基本上不变。
稳压二极管如下图：上述两种电击穿过程是可逆的，当加在稳压管两端的反向电压降低后，管子仍可以恢复原来的状态。
施加反向电压，具有反向电流，肯定要发热，发热的强度直接决定管子，PN结是否损坏。
所以有一个前提条件，就是反向电流和反向电压的乘积不能大于PN结容许的最大耗散功率，如果超过超过了就会因为热量散不出去而使PN结温度上升，随着温度上升，反向饱和电流增大，如此循环，使得饱和电流无限增大（理论上），直到过热而烧毁，此时的击穿就称之为热击穿。
热击穿并不是等PN结凉下来就可以继续恢复的，它在物质结构上来讲，已经被热破坏，所以无法恢复。
【精品】半导体器件原理简明教程习题答案供参考
【关键字】精品半导体器件原理简明教程习题答案傅兴华1.1 简述单晶、多晶、非晶体材料结构的基本特点.解整块固体材料中原子或分子的排列呈现严格一致周期性的称为单晶材料;原子或分子的排列只在小范围呈现周期性而在大范围不具备周期性的是多晶材料;原子或分子没有任何周期性的是非晶体材料.1.6 什么是有效质量，根据E(k)平面上的的能带图定性判断硅鍺和砷化镓导带电子的迁移率的相对大小.解有效质量指的是对加速度的阻力.由能带图可知,Ge与Si为间接带隙半导体,Si的Eg比Ge的Rg大，所以>.GaAs为直接带隙半导体,它的跃迁不与晶格交换能量,所以相对来说>>.1.10 假定两种半导体除禁带宽度以外的其他性质相同,材料1的禁带宽度为1.1eV,材料2的禁带宽度为 3.0eV,计算两种半导体材料的本征载流子浓度比值,哪一种半导体材料更适合制作高温环境下工作的器件?解本征载流子浓度:两种半导体除禁带以外的其他性质相同>0 在高温环境下更合适1.11 在300K下硅中电子浓度,计算硅中空穴浓度,画出半导体能带图,判断该半导体是n型还是p型半导体.解是p型半导体1.16 硅中受主杂质浓度为,计算在300K下的载流子浓度和,计算费米能级相对于本征费米能级的位置,画出能带图.解T=300K→该半导体是p型半导体1.27 砷化镓中施主杂质浓度为，分别计算T=300K、400K的电阻率和电导率。
解电导率，电阻率1.40 半导体中载流子浓度,本征载流子浓度,非平衡空穴浓度,非平衡空穴的寿命,计算电子-空穴的复合率,计算载流子的费米能级和准费米能级.解因为是n型半导体2.2 有两个pn结,其中一个结的杂质浓度,另一个结的杂质浓度,在室温全电离近似下分别求它们的接触电势差,并解释为什么杂质浓度不同接触电势差的大小也不同.解接触电势差可知与和有关,所以杂质浓度不同接触电势差也不同.2.5 硅pn结,分别画出正偏0.5V、反偏1V时的能带图.解=正偏:反偏:2.12 硅pn结的杂质浓度分别为,n区和p区的宽度大于少数载流子扩散长度,,结面积=1600,取,计算(1)在T=300K下,正向电流等于1mA时的外加电压；(2)要使电流从1mA 增大到3mA,外加电压应增大多少?(3)维持(1)的电压不变,当温度 T 由300K 上升到400K 时,电流上升到多少? 解 (1) (2)... ...2.14 根据理想的pn 结电流电压方程，计算反向电流等于反向饱和电流的70%时的反偏电压值。
pn结击穿电压
•
雪崩击穿特点 • 1.空间电荷区的xD要有一定宽度；如果空间电荷区太窄（小 于一个平均自由程），既使是载流子的能量再高，电离能力 再强，不发生碰撞也无法产生雪崩现象。单边突变结的击穿 电压主要由低掺杂边的掺杂浓度决定。 • 2.雪崩击穿电压较高，击穿曲线比较陡直（硬击穿）；一般 Ge、Si 器件，雪崩击穿电压在6Eg/q 以上，而且击穿特性较 硬（所谓硬击穿）。 • 3. 雪崩击穿的击穿电压VB 具有正温度系数。随着温度的提 高，散射增强，载流子的平均自由运动时间减少，导致动能 不易积累，使电离率下降，击穿电压提高。 • 雪崩击穿电压确定了大多数二极管反向偏压的上限，也确定 了双极晶体管集电极电压以及场效应晶体管漏电压的上限。
k0T nn 0 k0T N A N D 1 VD EFn EFp ln ln 2 q q p0 q ni
•
14、写出理想PN结的J-V特性关系公式（肖 克莱方程）。并在半对数坐标下（X轴为V， Y轴为ln（J/J0），定性画出该曲线。若此PN 结为实际的PN结，应做哪些改动？为什么？ （2006）
• 结接触电势差与掺杂浓度、温度、禁带宽度等 有关
• 10、（24分）一个硅PN结（T=300K），P区的 掺杂浓度为NA＝1x1015cm-3，N区的掺杂浓度 ND＝3 NA，使用杂质全部电离和载流子全部耗 尽假设， • (1) 计算室温下PN结的接触电势差VD； • (2) 定性画出PN结的电场分布、电荷分布。 • (3) 若温度T增加、材料的禁带宽度Eg增加，VD 将分别如何变化？ • (4) 若此结构是N+-N结，即N+区一侧ND+=3 NA， N区一侧ND= NA，计算此时的VD。（2006）
§6.6 隧道pn 结简介 一、现象 当pn 结的P 区和N 区的掺杂浓度都很高时(1019cm-3~1020cm-3)， 其I-V 特性出现： 1.正向时，在小的正向偏压下，电流开始随电压上升而上升，达 到最大电流Ip 之后，下降到Iv，然后才与普通pn 结扩散电流 一样随正向电压的升高而指 数上升。 2.反向时，反向电流随反向电压 的增加而迅速增加。
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突变pn 结的击穿电压
1. 突变pn 结电场分布和最大电场强度
pn 结空间电荷区内的电场电势分布，可由求解泊松方程得到。
考虑一维泊松方程
d dx x)22
0ψρεε=-( (1)
式中，ε，ε0分别为半导体相对介电常数和真空介电常数，ρ为电荷密度。
在全电离近似和耗尽近似下，应有 ⎪⎩
⎪⎨⎧>-<<<<<--=n p n D p A x x x x x x qN x x qN x 0 0 0 )(，ρ (2)
电荷密度分布如图所示。
将电荷密度分布代入泊松方程，得到
0 0
22<<-=x x qN dx d p A εεψ (3) n D x qN dx
d <<-=00 022εεψ (4) 利用电场和电势分布的关系式
dx
d E ψ-= (5) 将微分方程积分一次，得到电场分布函数
0 )(10<<-+-=x x C x qN x E p A
εε (6)
n D
x x C x qN x E <<+=0 )(20εε (7)
利用空间电荷区边界处电场强度为零的条件，并考虑到x =0处电场连续，可确定两个积分常数
00201E x qN C x qN C n D p A
-≡-=≡-=εεεε (8)
E 0为pn 结空间电荷区最大电场强度。
最后得到
0 )(00≤≤---=x x E x qN x E p A
εε (9)
n D x x E x qN x E ≤≤-=
0 )(00εε (10)
由(8)式还可得到 n D p A x N x N = (11) 由此，最大电场强度
W qN E 00εε=
(12)
其中， ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=+=qN x x W N N N N N n p A D A D 耗尽区总电势差）(20εε (13)
2. 突变pn 结的击穿电压计算
由电场和电势的关系，pn 结耗尽区的总电势差等于电场分布曲线上方的面积，设外加反向电压为V R ，则
000 )(22121E qN
V V WE V V bi R bi R +==+εε (14) 当反向电压较大时，R bi R V V V ≈+。
上式两边平方，得到
2002241E qN
V V R R εε=
(15) 即 20021E qN
V R εε= (16) 当pn 结的最大电场强度等于击穿的临界电场时，pn 结击穿，所对应的外加电压就是击穿电压，所以
2021crit B E qN
V εε=
(17) 对于单边突变结，例如，p+n 结，N A >> N D , D A
D A D N N N N N N =+=
2021crit D B E qN V εε=。