谁能通俗地介绍一下齐纳击穿和雪崩击穿?

谁能通俗地介绍一下齐纳击穿和雪崩击穿?

如果通俗的介绍“齐纳击穿”和“雪崩击穿”,我觉得书本中的概念描述不错的:

雪崩击穿:材料掺杂浓度较低的PN结中,当PN结反向电压增加时,空间电荷区中的电场随着增强。这样通过空间电荷区的电子,就会在电场作用下,使获得的能量增大。在晶体中运行的电子将不断的与晶体原子发生碰撞,通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来,产生自由电子和空穴。新产生的自由电子在电场作用下撞出其他价电子,又产生新的自由电子和空穴。如此连锁反应,使得阻挡层中的载流子的数量雪崩式地增加,流过PN结的电流就急剧增大击穿PN结,这种碰撞电离导致击穿。

齐纳击穿:当PN结的掺杂浓度很高时,阻挡层就十分薄。这种阻挡层特别薄的PN结,只要加上不大的反向电压,阻挡层内部的电场强度就可达到非常高的数值。这种很强的电场强度可以把阻挡层内中性原子的价电子直接从共价键中拉出来,变为自由电子,同时产生空穴,这个过程称为场致激发。由场致激发而产生大量的载流子,使PN结的反向电流剧增,呈现反向击穿现象。

当如果你在看这两个概念描述过程中产生了很多疑问,比如:“掺杂浓度”为什么跟击穿的类型有关?为什么“PN结的掺杂浓度很高时,阻挡层就十分薄”?“阻挡层”又是啥玩意?等等。

我当年看这个定义的时候,就完全不能理解“齐纳击穿”和“雪崩击穿”的区别。

那我们怎么来进一步理解这两种击穿行为呢?我想需要两个步骤:1,从费米能级理论的角度来理解P/N半导体和PN结的原理;2,顺理成章理解了“雪崩击穿”和“齐纳击穿”。

根据量子力学理论,被束缚在原子周围或有限空间电子的一个重要特性:电子的能量只能是分立值,即能量的量子化。用人话来说就是:电子只能出现在原子周边的一些特定能量轨道(能级)上。

再根据泡利不相容原理:任意给定量子态只能被一个电子占据。再用人话来说就是:同一能量轨道(能级)上的电子最多只能有两个自旋方向相反电子(电子的自旋产生磁矩,自旋电子的不平衡产生磁体)。

——宇宙中的物质拥有体积,我的手不能穿越我打字的键盘,而且也不会从地面掉进地心,这都是因为泡利不相容原理。

我们综合两大原理来描述电子:电子只能出现在原子周边的一些特定能量轨道(能级)上,而且同一能量轨道(能级)上的电子最多只能有两个自旋方向相反电子。

——举个栗子:H(氢)原子只有一个电子轨道(1s),最多允许有2个电子占据该轨道(能级状态)。随着原子核数量增加,电子层数增加,电子从最低能量(离原子核最近)慢慢填充,能量越来越大;第二层有4个电子轨道(2s+2p:s亚层有1电子轨道,p亚层有3个电子轨道)最多允许8个电子,第三层有8个电子轨道(3s+3p+3d:d亚层有5个电子轨道)最多允许16个电子,以此类推。这些电子轨道(能级状态)就是原子的能级。大家可以看到每一层对应不同数量的电子轨道,每个轨道允许2个电子占据;如下图所示。

3. 满带:当原子处于基态时,所有电子从最低能级开始依次向上填充;电子刚好填充到某一个能带满,被填满的能带称为满带;

4. 价带(价带顶:Ev):也称价电带,通常是指半导体或绝缘体中,在0K(绝对0度)时能被电子占满的最高能带;——对半导体而言,此能带中的能级基本上是连续的,价电子不能在固体中自由运动,但若该电子受到光照/加热,它可吸收足够能量而跳入下一个容许的最高能区(导带),从而使电子可在固体中自由运动。

5. 导带(导带底:Ec):由自由电子形成的能量空间,即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围;——对于金属,所有价电子所处的能带就是导带;对于半导体,能量最高的价带到下一个能带(导带)的禁带宽度并不大,电子跃迁到到能带后就可以自由移动。

6. 价电子:处在原子轨道中并呈键合状态(离子键,共价键,金属键、范德华建等)的电子。

——对于金属,所有价电子所处的能带就是导带;对于半导体或绝缘体,所有价电子所处的能带就是价带,比价带能量更高的能带是导带。

我们第一步了解了原子中的电子能级结构,接下去就是要理解:费米能级;费米能级不是固定在如上描述中的任何一个能级/带中,它可以处于能带中的任何位置,当然也可以处于禁带之中。那它到底是个啥?

费米能级是指:在0K(绝对0度)条件下,电子充满能级所需要的阈值;即在费米能级以下的能级(能带)将被电子填满,而高于费米能级以上的所有能级(能带)都为空。还是不理解?好,我们再用人话来转述一遍:在绝对0度条件下,电子只能占据费米能级以下的能级(100%),但在大于绝对0度的任何温度时,占据费米能级的概率是50%。

——说到底,费米能级就是电子出现在该能级位置的概率,绝对0度时所有电子在费米能级以下,但是大于绝对0度时,电子就有一定的概率跃迁到更高级的能带中去。

如果还是看不懂也没关系,再举一个更普通的栗子:假设原子是地球,电子是水分子,那么费米能级就是海平面,在绝对0度时所有的水分子都在海平面以下,但在大于0K(绝对0度)条件下,有一定概率的水分子会气化,飞到水平面以上;那这个海平面就是费米能级。

如下图是不同温度下费米概率函数与能量之间的关系:横坐标为电子所处的能量,1/2概率处是费米能级,大于费米能级的能量越大,电子占据该能量的概率就越小,小于费米能级的能量越小,电子占据该能量的概率就越大。

我们既然学习了费米能级,那么就用费米能级的理论再来重新认识下:金属导体、半导体和绝缘体三种材料;如下图所示。

如此我们便可以用费米能级来解释:P型N型半导体由于掺入杂质,其费米能级也发生了相应的变化;分别看下P型和N型半导体的变化过程:

2. P型半导体:由于杂质原子带3个价电子,并且与半导体结合成共价键,有一个共价键是空的;由于加入杂质后需要一个电子来填充这个“空”位,此时的杂质原子带负电,所以填入空位的电子能量必须比价电子能量高(同性相斥),但占据“空”位电子并不具有足够的能量进入导带,而是靠近价带顶部;价带上的电子能很容易跃迁到杂质“空”位,造成其它价电子位置将变空,空穴可以在晶体中运动形成电流;杂质原子从价带中获得电子,称之为受主杂质原子;——受主杂质原子在价带上产生空穴,但能不在导带中产生电子;我们称这种类型半导体为P型半导体(P表示产生带正电的空穴)。

3. 本征半导体费米能级:上面已分析本征半导体的费米能级位于禁带中央附近;由于本征半导体电子浓度与空穴浓度相等,假设电子和空穴有效质量相等(其实空穴有效质量略大于电子质量),则本征半导体费米能级位于禁带中央(由理论计算所得)。

4. P/N型半导体费米能级:在室温状态下,施主能级基本处于完全电离状态,对于典型的掺杂(10¹⁶ cm⁻³)来说,强电离区内几乎所有施主杂质原子都向导带贡献了一个电子;受主原子也基本处于完全电离状态,即受主原子都从价带获得一个电子,从而每个受主原子都会在价带上产生一个空穴。如下图Efi为本征半导体费米能级,Ef为掺杂后半导体费米能级。N型半导体随着掺杂浓度增加费米能级越靠近导带底,P型半导体随着掺杂浓度增加费米能级越靠近价带顶。

一个完整半导体材料:一部分掺入受主杂质原子形成P区,相邻的另一部分掺入施主杂质形成N区,分割成P区与N区的交界面称为冶金结;起初在冶金结所处的位置,电子和空穴都有一个很大的浓度梯度,两边载流子:N区的“自由电子”和P区的“空穴”分别向对端扩散,随着N区自由电子向P区扩散,带正电的施主离子被留在了N区,同时随着P区的空穴向N区扩散,带负电的受主离子留在了P区,从而在冶金结附近感生出了一个内建电场,方向是由N区指向P区;这两个带电区域就是:空间电荷区,又称为耗尽区。这是以电子“扩散”的理论来解释PN结的形成,那么如果用费米能级怎么来理解PN结呢?

3. 若在P区和N区之间增加一个电压,那么PN结就不能再处在热平衡状态(热平衡状态不再满足);1, PN区外加反向偏压时:N区的费米能级要低于P区费米能级的位置,两者费米能级的差值刚好等于外加电压值(VR)*电子电量e;总电势差eVtotal=VR+Vbi。增加了的势垒高度继续阻止电子与空穴的流动,因此PN结内基本没有电荷(多子)的流动;2, PN区外加正向偏压时:P区费米能级要低于N区费米能级的位置,总势垒高度下降了:eVtotal=Vbi-VR。降低了的势垒高度意味着空间电荷区的电场随之减弱,电场减弱则意味着原先扩散电流与漂移电流平衡被打破,电子和空穴不再分别滞留在N区和P区,于是就有由P区经空间电荷区到N区的“扩散空穴电流”,同理有由N区经空间电荷区到P区的“扩散电子电流”。

4. 热平衡状态下PN结导带能量图如下图所示:导带内N区电子数量远大于P区,内建电场阻止了N区自由电子向P区流动,即:内建电势差维持了PN结两侧各区域载流子之间的分布平衡;

5. PN结反偏产生电流:对于反偏PN结,一般认为在空间电荷区内不存在可移动的电子和空穴,但实际上在反偏电压下,空间电荷区内产生了自由电子-空穴对;这些自由电子与空穴试图重新建立热平衡,而过剩自由电子与空穴的复合过程就是重新建立热平衡的过程;这些自由电子和空穴一旦产生,就被电场扫出空间电荷区。由空间荷区自由电子和空穴移动所产生的电流,就是PN结反向电流。理想反向饱和电流密度与反向偏压无关,但实际反偏电流却跟空间电荷区宽度(反向偏压)有关,所以反偏电流密度不再与反偏电压无关。

对于理想PN结反向偏压,会在PN结内形成一股很小的反偏电流,但是反偏电压不能无限制地增加;在特定条件下反偏电流会快速增大;发生该现象时的电压为击穿电压;PN结击穿的物理机制有两种:齐纳击穿和雪崩击穿。

1, 齐纳击穿(如上左图所示):重掺杂的PN结由于隧穿机制而发生齐纳击穿;在重掺杂PN结内,反偏条件下PN结两侧的导带和价带离得非常近,以至于电子可以由P区的价带直接隧穿到N区的导带;

——由于重掺杂的空间电荷区很窄,此时从P区到N区的路径很短,“自由电子”很容易直接“隧穿”过去,形成反向电流。

——稳压二极管掺杂浓度要高,空间电荷区宽度很小,电场强度很大;半导体与金属接触的欧姆电阻,其中一种方式就是隧穿。

2, 雪崩击穿(如上右图所示):由于电场作用,当电子穿越空间电荷区时能量会增加,当增加到一定程度并与耗尽区原子内的电子发生碰撞时,便会产生新的自由电子-空穴对;新的自由电子又会撞击其它原子内的电子,于是发生了雪崩效应。由于雪崩效应,电子电流会随着距离的增加而增大。

——由于掺杂浓度低,空间电荷区很宽,“自由电子”在反向运动中的行程很长,被加速到非常高的能量,非常容易碰撞到其它“价带电子”形成雪崩效应。

——TVS管掺杂浓度要低,空间电荷区宽度要大。

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标签:击穿,齐纳,雪崩,电力电子技术