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雪崩击穿和齐纳击穿的区别
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齐纳二极管原理图
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在通常情况下，反向偏置的PN结中只有一个很小的电流。这个漏电流一直保持一个常数，直到反向电压超过某个特定的值，超过这个值之后PN结突然开始有大电流导通（图1.15）。这个突然的意义重大的反向导通就是反向击穿，如果没有一些外在的措施来限制电流的话，它可能导致器件的损坏。反向击穿通常设置了固态器件的最大工作电压。然而，如果采取适当的预防措施来限制电流的话，反向击穿的结能作为一个非常稳定的参考电压。图1
在通常情况下，反向偏置的PN结中只有一个很小的电流。这个漏电流一直保持一个常数，直到反向电压超过某个特定的值，超过这个值之后PN结突然开始有大电流导通（图1.15）。这个突然的意义重大的反向导通就是反向击穿，如果没有一些外在的措施来限制电流的话，它可能导致器件的损坏。反向击穿通常设置了固态器件的最大工作电压。然而，如果采取适当的预防措施来限制电流的话，反向击穿的结能作为一个非常稳定的参考电压。图1.15 PN结二极管的反向击穿。 导致反向击穿的一个机制是avalanche multiplication。考虑一个反向偏置的PN结。耗尽区随着偏置上升而加宽，但还不够快到阻止电场的加强。强大的电场加速了一些载流子以非常高的速度穿过耗尽区。当这些载流子碰撞到晶体中的原子时，他们撞击松的价电子且产生了额外的载流子。因为一个载流子能通过撞击来产生额外的成千上外的载流子就好像一个雪球能产生一场雪崩一样，所以这个过程叫avalanche multiplication。 反向击穿的另一个机制是tunneling。Tunneling是一种量子机制过程，它能使粒子在不管有任何障碍存在时都能移动一小段距离。如果耗尽区足够薄，那么载流子就能靠tunneling跳跃过去。Tunneling电流主要取决于耗尽区宽度和结上的电压差。Tunneling引起的反向击穿称为齐纳击穿。 结的反向击穿电压取决于耗尽区的宽度。耗尽区越宽需要越高的击穿电压。就如先前讨论的一样，掺杂的越轻，耗尽区越宽，击穿电压越高。当击穿电压低于5伏时，耗尽区太薄了，主要是齐纳击穿。当击穿电压高于5伏时，主要是雪崩击穿。设计出的主要工作于反向导通的状态的PN二极管根据占主导地位的工作机制分别称为齐纳二极管或雪崩二极管。齐纳二极管的击穿电压低于5伏，而雪崩二极管的击穿电压高于5伏。通常工程师们不管他们的工作原理都把他们称为齐纳管。因此主要靠雪崩击穿工作的7V齐纳管可能会使人迷惑不解。 实际上，结的击穿电压不仅和它的掺杂特性有关还和它的几何形状有关。以上讨论分析了一种由两种均匀掺杂的半导体区域在一个平面相交的平面结。尽管有些真正的结近似这种理想情况，大多数结是弯曲的。曲率加强了电场，降低了击穿电压。曲率半径越小，击穿电压越低。这个效应对薄结的击穿电压由很大的影响。大多数肖特基二极管在金属－硅交界面边缘有一个很明显的断层。电场强化能极大的降低肖特基二极管的测量击穿电压，除非有特别的措施能削弱Schottky barrier边缘的电场。 图1.16是以上所讨论的所有的电路符号。PN结用一根直线代表阴极，而肖特基二极管和齐纳二极管则对阴极端做了一些修饰。在所有这些图例中，箭头的方向都表示了二极管正向偏置下的电流方向。在齐纳二极管中，这个箭头可能有些误导，因为齐纳管通常工作在反向偏置状态下。对于casual observer来说，这个符号出现时旁边应该再插入一句&方向反了&。图1.16 PN结，肖特基，和齐纳二极管的电路图符号。有些电路图符号中箭头是空心的或半个箭头。经常看到问关于稳压管（齐纳管）的问题，所以略做总结。齐纳管一般有两种用法（以下IZ为工作电流，UZ为标称稳压电压，UW为实际工作电压）：1 正常工作时处于导通状态，IZ&0.1mA量级，此时齐纳管起稳压作用，UW&UZ。2 正常工作时处于截止状态，即UW 其实常用齐纳管主要分两类，一类就是通常所谓的稳压管，另一类是TVS类器件。前者通常是第一种用法，后者通常是第二种用法。但也不绝对，两者只是特性参数各有特点。普通的稳压管同样可以用作保护器件，只是响应速度差一些，不适合需要抑制极高速度脉冲干扰的场合。TVS也可以拿来当稳压管用，当然也不合适。总结一下，我发现初学者常犯如下几种错误：1． 把齐纳管特性想得太美好：当UW7V），那曲线还凑合，换个低压的，例如3V的，那实际曲线真是够柔美的，1.5V电压时就有很大电流了，直到IZ增加到数十mA，UZ才懒洋洋地达到标称值，简直就是个抛物线嘛。2． 用齐纳管做保护的，一不懂世间万事皆有代价，这里的代价就是漏电流IR（截止状态下的IZ）：IR0；二不懂世间万事皆须留有余地，这里的余地就是确保截止的电压余量UM：UM＝UZ-UW0（IR&很小）；三不懂世间万事皆有弹性（让步），这里的弹性就是导通状态下UW随着IZ增加的增量UP：UP=UW-UZ0（IR&很大）。而且即使留了余地，付出了代价，仍然要做让步。要减小IR，就要提高&DU，也就是选高UZ的管子，但这样又会降低保护的力度。3． 不明白齐纳管动态内阻dV/dI0，即UZ会随IZ增加。这就不多说了。4． 不明白齐纳管的反应是比较迟钝的，UW变化了，IZ并不会立即跟着变，而是有延迟。而且有结电容，而且结电容有时还相当大。按教科书上的电路图，把齐纳管接到运放反馈臂上做限幅，还为自己能灵活运用运放的负反馈技术而沾沾自喜。但输入个几MHz的方波后，发现输出全不是那么回事，就懵了。从这几条可以总结出一些原则：1． 尽量避免使用低压齐纳管。2． 用齐纳管做保护要合理选择UZ，使UWMAX＋UM3． 设计电路要有动态的概念，电路跟人，跟一切机器一样都有反应迟钝的问题，区别只在于更迟钝和更不迟钝。4． 记住墨菲定律：事情凡是能够更糟糕的，就一定会更糟糕。
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二极管雪崩击穿与齐纳击穿
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　　电子和空穴穿越空间电荷区时，与空间电荷去内的电子发生碰撞产生电子-空穴对，在pn 结内形成一股很大的反偏电流，这个过程就称为雪崩击穿。
雪崩击穿的原理
　　随着反向电压的提高，空间电荷区内电场增强，通过势垒区的载流子获得的能量也随之增加。当反向电压接近击穿电压UB时，这些有较高能量的载流子与空间电荷区内的中性原子相遇发生碰撞电离，产生新的电子-空穴对。这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其它的中性原子使之电离，再产生更多的电子-空穴对。这种连锁反应继续下去，使空间电荷区内的载流子数量剧增，就像雪崩一样，使反向电流急剧增大，产生击穿。所以把这种击穿称为雪崩击穿。
　　雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低、外加电压又较高的中。这是因为掺杂浓度较低的，空间电荷区宽度较宽，发生碰撞电离的机会较多。
雪崩击穿的理论分析
漏极存在大电流 Id,高电压 Vd 时,器件内电离作用加剧,出现大量的空穴电流,经 Rb 流入源极,导致寄生 基极电势 Vb 升高,出现所谓的&快回(Snap-back)&现象,即在 Vb 升高到一定程度 时,寄生 V2 导通,集电极(即漏极)电压快速返回达到基极开路时的 击穿电压(增益很高的中该值相对较低),从而发生雪崩击穿,(大量的研究 和试验表明,Ic,SB 很小.另外,由于寄生的增益较大,故在雪崩击穿时, 基极电子,空穴重新结合所形成的电流,以及从集电极到发射极空穴 移动所形成的电流,只占了
漏极电流的一小部分;所有的基极电流 Ib 流过 Rb;当 Ib 使基极电位升高到一定程度时,寄生进入导通状态, 漏源 极电压迅速下降,发生雪崩击穿故障.
雪崩击穿的微观分析
　　双极性器件在发生二次击穿时,集电极电 压会在故障瞬间很短时间内(可能小于 1ns)衰减几百伏.这种电压锐减主要是由 雪崩式注入引起的,主要原因在于:二次击穿时,器件内部电场很大,电流密度也 比较大,两种因素同时存在,一起影响正常时的耗尽区固定电荷,使载流子发生雪 崩式倍增. 对于不同的器件, 发生雪崩式注入的情况是不同的. 对于双极性, 除了电场应力的原因外,正向偏置时器件的热不稳定性,也有可能使其电流密度达 到雪崩式注入值.而对于 ,由于是多数载流子器件,通常认为其不会发生正 向偏置二次击穿,而在反向偏置时,只有电气方面的原因能使其电流密度达到雪崩 注入值, 而与热应力无关. 以下对功率
的雪崩击穿作进一步的分析.
在 内部各层间存在寄生,()器件.从微观角度而言,这些寄生 器件都是器件内部 PN 结间形成的等效器件,它们中的空穴,电子在高速过程中 受各种因素的影响,会导致
的各种不同的表现.导通时,正向电压大于门槛 电压,电子由源极经体表反转层形成的沟道进入漏极,之后直接进入漏极节点;漏 极寄生的反向漏电流会在饱和区产生一个小的电流分量.而在稳态时,寄生 ,的影响不大.关断时,为使
体表反转层关断,应当去掉栅极 电压或加反向电压.这时,沟道电流(漏极电流)开始减少,感性负载使漏极电压 升高以维持漏极电流恒定.漏极电压升高,其电流由沟道电流和位移电流(漏极体 耗尽区生成的,且与 dVDS/dt 成比例)组成.漏极电压升高的比率与基极放 电以及漏极耗尽区充电的比率有关;而后者是由漏-源极,漏极电流决定的. 在忽略其它原因时,漏极电流越大电压会升高得越快.如果没有外部钳位电路,漏 极电压将持续升高,则漏极体由于雪崩倍增产生载流子,而进入持续导通模 式(Sustaining Mode).此时,全部的漏极电流(此时即雪崩电流)流过体, 而沟道电流为零.由上述分析可以看出,可能引起雪崩击穿的三种电流为漏电流, 位移电流(即 dVDS/dt 电流),雪崩电流,三者理论上都会激活寄生导通. 寄生导通使
由高压小电流迅速过渡到低压大电流状态, 从而发生雪崩 击穿.
雪崩击穿时能量与温度的变化
　　在管雪崩击穿过程中, 能量集中在功率 器件各耗散层和沟道中,在寄生激活导通发生二次击穿时, 会伴随急 剧的发热现象,这是能量释放的表现.以下对雪崩击穿时能量耗散与温升的关系进 行分析.雪崩击穿时的耗散能量与温升的关系为 电流呈线性增长,增长率为
　　ΔθM∝
　　雪崩击穿开始时, di/dt=VBR/L(13)式中:VBR 为雪崩击穿电压(假设 为恒定);L 为漏极电路.若此时
未发生故障,则在关断时刻之前,其 内部耗散的能量为
　　E=LIo2(14)
　　式中:E 为耗散能量;Io 为关断前的漏极电流. 随着能量的释放,器件温度发生变化,其瞬时释放能量值为
　　P(t)=i(t)v=i(t)VBR
　　式中: i(t)=Io-t (16) 到任意时刻 t 所耗散的能量为 (17)在一定时间 t 后,一定的耗散功率下,温升为 方法表示温升为 E=Pdt=L(Io2-i2) Δθ=PoK(18)式中:K=,
　　其中 ρ 为密度;k 为电导率;c 为热容量.实际上耗散功率不是恒定的,用叠加的
　　Δθ=PoK-δPnK(19)
　　式中:Pn=δinVBR=VBRδt; Po=IoVBR; δt=tn-tn-1;tm=t=.则温升可以表示为
　　Δθ(t)=PoK-Kδt(20)
　　可以表示成 积分形式为
　　Δθ(t)=PoK-Kdτ(21)
　　在某一时刻 t 温升表达式为
　　Δθ(t)=PoK- K(22)
　　将温升表达式规范化处理,得 =(23)式中:tf=,为电流 i=0 的时刻;ΔθM 为最大温升(t=tf/2 时).则由式(22)得 Δθ=PoK=IoVBRK(24)
　　由上面的分析过程 可以看出,在功率
发生雪崩击穿时,器件温度与初始电流,以及器件本身的 性能有关.在雪崩击穿后如果没有适当的缓冲,抑制措施,随着电流的增大,器件 发散内部能量的能力越来越差,温度上升很快,很可能将器件烧毁.在现代功率半 导体技术中, 设计,制造的一个很重要方面就是优化单元结构,促进雪崩击 穿时的能量耗散能力}