微電子器件課件2-4

1、 雪崩倍增雪崩倍增 隧道效應(yīng)隧道效應(yīng) 熱擊穿熱擊穿 擊穿現(xiàn)象擊穿現(xiàn)象擊穿機(jī)理：擊穿機(jī)理：電擊穿電擊穿BVVI0I 2.4.1 碰撞電離率和雪崩倍增因子碰撞電離率和雪崩倍增因子 反向電壓反向電壓 可使被碰撞可使被碰撞的價帶電子躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生一對新的電子空穴對，這就的價帶電子躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生一對新的電子空穴對，這就是是 碰撞電離碰撞電離。碰撞電離主要發(fā)生在反偏。碰撞電離主要發(fā)生在反偏 PN 結(jié)的耗盡區(qū)中。結(jié)的耗盡區(qū)中。G,EEEE 當(dāng)時0dlEqE x 電子（或空穴）在兩次碰撞之間從電場獲得的能量為電子（或空穴）在兩次碰撞之間從電場獲得的能量為 1、碰撞電離率、碰撞電離率 定義：定義：一

2、個自由電子（或空穴）在單位距離內(nèi)通過碰撞電一個自由電子（或空穴）在單位距離內(nèi)通過碰撞電離而產(chǎn)生的新的電子空穴對的數(shù)目稱為電子（或空穴）的離而產(chǎn)生的新的電子空穴對的數(shù)目稱為電子（或空穴）的 碰撞碰撞電離率電離率，記為：，記為： 。inip()或式中，式中，A、B、m 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，可在表為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，可在表 2-1 中查到。中查到。iexpmBAE與電場與電場 E 強(qiáng)烈有關(guān)，可用如下經(jīng)驗(yàn)公式近似表示強(qiáng)烈有關(guān)，可用如下經(jīng)驗(yàn)公式近似表示i 2、雪崩倍增因子、雪崩倍增因子 定義：定義：包括雪崩倍增作用在內(nèi)的流出耗盡區(qū)的總電流與流包括雪崩倍增作用在內(nèi)的流出耗盡區(qū)的總電流與流入耗盡區(qū)的原始電流之比，稱為入耗盡

3、區(qū)的原始電流之比，稱為 雪崩倍增因子雪崩倍增因子，記為，記為 M 。 同理，由于電子的碰撞電離在同理，由于電子的碰撞電離在 dx 距離內(nèi)新增的流出距離內(nèi)新增的流出 ( x+dx ) 面的空穴數(shù)目為面的空穴數(shù)目為 單位時間內(nèi)流過位于單位時間內(nèi)流過位于 x 處面上單位面積的空穴數(shù)目為處面上單位面積的空穴數(shù)目為 由于這些空穴的碰撞電離而在由于這些空穴的碰撞電離而在 dx 距離內(nèi)新增的流出距離內(nèi)新增的流出 ( x+dx )面的空穴數(shù)目為面的空穴數(shù)目為 pp01JxJq pp0ip1dJxJxq nn0in1dJxJxqp0Jp( )Jxpd()Jxn( )J xn0J0 xdxxdxE 為簡便起見，假

4、設(shè)為簡便起見，假設(shè) ，則流出，則流出 ( x+dx ) 面的總的面的總的新增空穴數(shù)目為新增空穴數(shù)目為ipinipn0i1( )( )dJxJxJxq在在 dx 距離內(nèi)新增的空穴電流為距離內(nèi)新增的空穴電流為 將上式從將上式從 x = 0 到到 x = xd 積分，得：積分，得：ppn0ipd0id( )( )d() dJJxJxJxJxJxdpd00pd0i000()()dxJxJJJxJxJJddpdppd0i00()d()dxxJxJJxJxdi01dxMMx di011dxMx 上式中，上式中， 稱為稱為 電離率積分電離率積分。di0dxx 當(dāng)當(dāng) ，總電流就是原始電流，表示無，總電流就是原

5、始電流，表示無雪崩倍增效應(yīng)。雪崩倍增效應(yīng)。di0d0,1xxM時 隨著反向電壓隨著反向電壓dipdB0d1,(), ()xxMJxVV當(dāng)時di0d1xx ，即發(fā)生，即發(fā)生dii0d,xExM總電流雪崩擊穿雪崩擊穿。由此可得發(fā)生。由此可得發(fā)生 雪崩擊穿的條件雪崩擊穿的條件 是是 3、雪崩擊穿條件、雪崩擊穿條件di011dxMx 實(shí)際計算擊穿電壓實(shí)際計算擊穿電壓 VB 時，常采用如下近似方法。時，常采用如下近似方法。 由于由于 隨隨 E 的變化很劇烈，所以對積分起主要作用的只是的變化很劇烈，所以對積分起主要作用的只是 電場峰值附近的很小一部分區(qū)域。這個區(qū)域內(nèi)電場峰值附近的很小一部分區(qū)域。這個區(qū)域內(nèi)

6、 幾乎不變，幾乎不變，因此可以近似認(rèn)為，當(dāng)因此可以近似認(rèn)為，當(dāng) 達(dá)到某達(dá)到某 臨界電場臨界電場 EC 時，即可滿足時，即可滿足擊穿條件擊穿條件 ，從而發(fā)生雪崩擊穿。，從而發(fā)生雪崩擊穿。 2.4.2 雪崩擊穿雪崩擊穿 1、利用雪崩擊穿條件計算雪崩擊穿電壓、利用雪崩擊穿條件計算雪崩擊穿電壓 對一定摻雜濃度的對一定摻雜濃度的 PN 結(jié)，先計算出對應(yīng)于各反向電壓結(jié)，先計算出對應(yīng)于各反向電壓 V 的的 E(x)，及與，及與 E(x) 對應(yīng)的對應(yīng)的 i (x) ，再求電離率積分。當(dāng)，再求電離率積分。當(dāng) V 增大到使增大到使該積分等于該積分等于 1 時，所對應(yīng)的時，所對應(yīng)的 V 就是雪崩擊穿電壓就是雪崩擊穿

7、電壓 VB 。 idi0d1xxmax|E 2、雪崩擊穿電壓的近似計算方法、雪崩擊穿電壓的近似計算方法max|E對于突變結(jié)，對于突變結(jié)，maxCbibiBB|()()EEVVVVV當(dāng)達(dá)到時，已知已知120maxbis2|()qNEVV120CBs33213s24BCG0025.2 102qNEVVEENqN 可見，禁帶寬度可見，禁帶寬度 EG 越大，則擊穿電壓越大，則擊穿電壓 VB 越高；約化雜質(zhì)越高；約化雜質(zhì)濃度濃度 N0 越低，越低，VB 越高。對于單邊突變結(jié)，越高。對于單邊突變結(jié)，N0 就是低摻雜一側(cè)就是低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度，因此的雜質(zhì)濃度，因此 擊穿電壓也取決于低摻雜一側(cè)，該側(cè)的雜質(zhì)擊

8、穿電壓也取決于低摻雜一側(cè)，該側(cè)的雜質(zhì)濃度越低，則濃度越低，則 VB 越高。越高。131247G8C0s1.1 101.1EqEN 也可通過查曲線求得突變結(jié)的擊穿電壓也可通過查曲線求得突變結(jié)的擊穿電壓 VB 。141356G15Cs1233maxbis1233CBs1623210s552BCG1.5 101.11|12()81(12)832109EqEaaqEVVaqEVVEEaaq 對于線性緩變結(jié)，對于線性緩變結(jié)， 或通過查曲線求得線性緩變結(jié)的擊穿電壓或通過查曲線求得線性緩變結(jié)的擊穿電壓 VB 。 實(shí)際擴(kuò)散結(jié)的擊穿電壓實(shí)際擴(kuò)散結(jié)的擊穿電壓 方法方法 1：查曲線。查曲線。 方法方法 2：根據(jù)根據(jù)

9、 PN 結(jié)的具體情況，分別近似看作單邊突變結(jié)結(jié)的具體情況，分別近似看作單邊突變結(jié)或線性緩變結(jié)，再用相關(guān)公式進(jìn)行計算。或線性緩變結(jié)，再用相關(guān)公式進(jìn)行計算。 4、擊穿電壓的測量、擊穿電壓的測量 常采用類似于測量正向?qū)妷撼２捎妙愃朴跍y量正向?qū)妷?VF 的方法。的方法。BVITIV 3、雪崩擊穿電壓與溫度的關(guān)系、雪崩擊穿電壓與溫度的關(guān)系 雪崩擊穿電壓具有正溫系數(shù)，即溫度雪崩擊穿電壓具有正溫系數(shù)，即溫度 T 上升時，上升時，VB 增大。增大。 5、結(jié)的結(jié)構(gòu)對、結(jié)的結(jié)構(gòu)對雪崩擊穿電壓雪崩擊穿電壓的影響的影響 只有滿足以下條件的只有滿足以下條件的 PN 結(jié)，才能使用以上公式與曲線來結(jié)，才能使用以上公

10、式與曲線來計算擊穿電壓計算擊穿電壓 VB 。結(jié)面為一平面，即平面結(jié)結(jié)面為一平面，即平面結(jié) 平行平面結(jié)平行平面結(jié)結(jié)面與材料表面相垂直結(jié)面與材料表面相垂直低摻雜中性區(qū)的厚度足夠厚低摻雜中性區(qū)的厚度足夠厚 然而實(shí)際上絕大多數(shù)然而實(shí)際上絕大多數(shù) PN 結(jié)并不滿足這些條件結(jié)并不滿足這些條件 ，這就必須，這就必須對計算擊穿電壓的公式加以修改。對計算擊穿電壓的公式加以修改。（1）高阻區(qū)厚度的影響）高阻區(qū)厚度的影響 對于同樣的對于同樣的 |Emax | = EC ，當(dāng)，當(dāng) N- 區(qū)足夠厚時，即區(qū)足夠厚時，即 W xdB 時，時，。但是當(dāng)。但是當(dāng) W xdB 時，擊穿電壓變?yōu)椋簳r，擊穿電壓變?yōu)椋嚎梢姡梢?，VB PTd 時，時，Tj 上升；上升； 當(dāng)當(dāng) PC = PTd 時，時，Tj 維持不變，達(dá)到平衡。維持不變，達(dá)到平衡。 當(dāng)當(dāng) PC PTd 時，時，Tj 下降；下降； （2-123） （2-124） 防止熱擊穿最有效的措施是降低熱阻防止熱擊穿最有效的措施是降低熱阻 RT 。此外，半導(dǎo)體此外，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度材料的禁帶寬度 EG 越大，則越大，則 I0 越小，熱穩(wěn)定性就越好，因此越小，熱穩(wěn)定性就越好，因此硅硅 PN 結(jié)的熱穩(wěn)定性優(yōu)于鍺結(jié)的熱穩(wěn)定性優(yōu)于鍺 PN 結(jié)。結(jié)。 由于由于 PN 結(jié)的反向電流結(jié)的反向電流 I0 極小，所以功率損耗極