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
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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。
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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。
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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
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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
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r 0
2qN B
E
2 mB
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Physics of Semiconductor device 一、Avalanche Breakdown
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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；
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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）
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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。
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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
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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
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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
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式中
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E
Eg qd
表示三角势垒的平均电场
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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
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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
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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
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一、Avalanche Breakdown （4）雪崩倍增因子M：描述电流倍增的程度
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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 (
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r 0
q
) ( 2C i )
4
3
1
4
NB
3
4
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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。
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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)