功率集成电子学回顾Microsoft Word 文档 (2)

第一章 PN 结雪崩击穿与结终端技术

一、 理想PN 结（平行平面结）特性

平衡 形成耗尽层，扩散电流等于漂移电流，无电流。 正偏 耗尽层减薄，扩散电流大于漂移电流，电流大。 反偏 耗尽层增厚，扩散电流小于漂移电流，电流小。

反向饱和电流 00

n p p n s n p

qD n qD p I A L L ⎛⎫

=+ ⎪ ⎪⎝

⎭

伏安特性 00

1qV n p p n kT

n p

qD n qD p I A e L L ⎛⎫⎛⎫=+- ⎪ ⎪ ⎪

⎝

⎭⎝⎭ 二、理想PN 结的雪崩击穿

PN 结反偏后，继续加大反偏电压，反向电流突然增加，PN 结击穿。 1、 碰撞电离

a) 随着电场的增强，载流子在受到光学声子散射的间隔间（两次碰撞之间）由电场加速会积累足够的动能去产生二次“电子-空穴对”

b) 二次载流子继续产生下一代载流子。

c) 载流子的这种繁殖（雪崩倍增），导致PN 结反向电流大于原生电流，引起器件的击穿。 2、 电离系数

用电离系数来表征雪崩击穿过程，电离系数定义为，一个电子或空穴在每厘米距离内产生的电子-空穴对

的数目。

电子电离率 ()e x p

/n n n a A B E =- 空穴电离率 ()e x p

/p p p a A B E =- 采用Fulops （富罗普斯）近似，电离系数有如下表示： （1/cm ） 其中E 以[V/cm]为单位 3、 雪崩倍增因子

二次载流子以上载流子电流密度与原生载流子电流密度之比称为雪崩倍增因子。

()

()0d

p x

p

p J M

J =

()

()0d

n x

n n J M J =

4、 击穿条件

二、 平行平面结击穿电压V BR 、耗尽层X D 、临界击穿电E M

表达式。

3571.810E α-=⨯0

1

d X dx α=⎰

PIN、突变结、线性缓变结三种平行平面结的击穿电压各取决那些工艺参数？

四、平面结（实际平面工艺制作的PN结）的击穿电压。

有选择掺杂窗口中间近似于平行平面，但是边、角之处近似于圆柱面及球面。圆柱面及球面存在曲率，导致表面电场比体内高，因此平面结击穿电压比平行平面结击穿电压低。

平面结击穿电压由平行平面结、圆柱面结及球面结中最低的一个击穿电压决定。

1、平行平面结击穿电压V BR：

PIN结、突变结、线性缓变结表达式如上表所示。

2、圆柱面结及球面结归一化击穿电压：

圆柱面结球面结

()

()

()()

()

()

()

686

2777

23

613

23

77

1

2ln12

2

2.143

BR CY

BR P

BR SP

BR P

V

V

V

V

ηηηη

ηηηη

-

⎡⎤

=+∙+-

⎢⎥

⎣⎦

⎡⎤

=+-+

⎢⎥

⎣⎦

其中 ()

B R P V

代表完全同样掺杂浓度条件下，平行平面结的击穿

电压。 /j M

r W η

= 常被称为归一化曲率半径，M W 是平行平面结

在击穿时的耗尽层厚度。j

r 是圆柱面结及球面结的半径（结深）。

五、PIN 穿通二极管的击穿电压

1、PIN 二极管的击穿电压（平行平面结）

5

6/7

()0.9210BR PIN D

V X =⨯

2、PIN 穿通二极管（当I 层厚度小于PIN 二极管耗尽层厚度，即为PIN 穿通二极管）穿通击穿电压

()

(2)

PT D D BR PIN M

M

V X X V X X =-

其中：D X ：为PIN 穿通二极管I 层的宽度

M

X : 为理想PIN 二极管I 层的宽度

3、 平面结穿通二极管击穿电压

画出平面结穿通二极管击穿电压剖面图、版图示意图。 平面结穿通二极管的边缘也包含圆柱面结和球面结。当外加电压超过穿通电压时，平行平面结的耗尽区不可能扩展，但柱面、球面部分耗尽区边界仍会继续扩展。

1）.平行平面结穿通击穿电压

()2B D TP D BR PIN S

M qN X V X V X ε⎛⎫

=

= ⎪⎝⎭

其中:5

6/7

()

0.9210BR PIN D

V X =⨯

TP V ：为漂移区的穿通电压 D

X ：为实际PIN 二极管I 层的宽度

M X : 为理想PIN 二极管I 层的宽度 B

N ：为漂移区的掺杂度

2）.圆柱面结和球面结的击穿电压:

六、结终端技术

对于有一定耐压要求的器件，不但材料参数、结构参数等要选择得在给定电压下不发生体击穿，而且还要采取一些特殊结构，使表面最大电场减小，使表面击穿电压符合要求。这些特殊结构称为结终端技术。 1、 扩散保护环

结构原理：采用深结扩散以增大半径r j ,提高结边缘的击穿电压。 （使 归一化曲率半径 /j M

r W η

= 趋向于1，则: r j ≈W M ）

若r j 接近10µm, 通常平面工艺中难以实现。

()()()()()()()()()()1212176171671122

226ln 131ln 12311C Y C Y PT BR C Y BR PIN SP SP PT BR SP BR PIN C Y SP C Y SP V F V F V V F V F V F A B F B A F B A B F B A B ---=-⎧=-⎧⎪⎪≥ ⎪⎪⎪⎪

⎨⎨⎡⎤≈-=-⎣⎦⎪

⎪

⎪⎪⎡⎤=∙-=--⎪⎪⎩⎣⎦⎩

柱面部分，当B 2时球面部分()()

22

2

ln 0.251D J D J A

B B B A X R B R R ⎧=--⎪⎨

= =⎪

⎩其中，，