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二極管中的擊穿現象

二極管的使用中,我們經常會說到二極管的反向擊穿。本文對二極管的擊穿相關概念及名詞進行匯總釋義。
 
NO.1 什么是二極管的反向擊穿?
晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結,在其界面處兩側形成空間電荷層,并建有自建電場。當不存在外加電壓時,由于p-n 結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。當外界有正向電壓偏置時,外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時,外界電場和自建電場進一步加強,形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。當外加的反向電壓高到一定程度時,p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程,產生大量電子空穴對,產生了數值很大的反向擊穿電流,稱為二極管的擊穿現象。
 
NO.2二極管有幾種擊穿模式?
二極管的擊穿模式有兩種,分為齊納擊穿與雪崩擊穿。
 
NO.3齊納擊穿與雪崩擊穿兩者的原理是什么?
齊納擊穿:當反向電壓增大到一定值時,勢壘區內就能建立起很強的電場,它能夠直接將束縛在共價鍵中的價電子拉出來,使勢壘區產生大量的電子—空穴對,形成較大的反向電流,產生擊穿。把這種在強電場作用下,使勢壘區中原子直接激發的擊穿現象稱為齊納擊穿。 
齊納擊穿一般發生在摻雜濃度較高的PN結中。這是因為摻雜濃度較高的PN結,空間電荷區的電荷密度很大,寬度較窄,只要加不大的反向電壓,就能建立起很強的電場,發生齊納擊穿。
 
雪崩擊穿:材料摻雜濃度較低的PN結中,當PN結反向電壓增加時,空間電荷區中的電場隨著增強。這樣通過空間電荷區的電子和空穴,就會在電場作用下,使獲得的能量增大。在晶體中運行的電子和空穴將不斷的與晶體原子發生碰撞,通過這樣的碰撞可使束縛在共價鍵中的價電子碰撞出來,產生自由電子-空穴對。新產生的載流子在電場作用下撞出其他價電子,又產生新的自由電子和空穴對。如此連鎖反應,使得阻擋層中的載流子的數量雪崩式地增加,流過PN結的電流就急劇增大擊穿PN結,這種碰撞電離導致擊穿稱為雪崩擊穿,也稱為電子雪崩現象。
 
NO.4齊納擊穿與雪崩擊穿有何區別?
區別一:雪崩擊穿是在電場作用下,載流子能量增大,不斷與晶體原子相碰,使共價鍵中的電子激發形成自由電子-空穴對。新產生的載流子又通過碰撞產生自由電子-空穴對,這就是倍增效應。1生2,2生4,像雪崩一樣增加載流子。齊納擊穿完全不同,在高的反向電壓下,PN結中存在強電場,它能夠直接破壞!共價鍵將束縛電子分離來形成電子-空穴對,形成大的反向電流。齊納擊穿需要的電場強度很大,只有在雜質濃度特別大的PN結才做得到。(雜質大電荷密度就大)一般的二極管摻雜濃度沒這么高,它們的電擊穿都是雪崩擊穿。齊納擊穿大多出現在特殊的二極管中,就是穩壓二極管。 兩種二極管都是工作在反向擊穿區,二者的區別在于耐受暫態脈沖沖擊能力和箝位電壓水平等方面有所差異。防雷設計中就是應用兩種二極管的伏安特性來抑制雷電過電壓。
區別二:雪崩擊穿所需電壓大!雪崩擊穿是PN結反向電壓增大到一數值時,載流子倍增就像雪崩一樣,增加得多而快。齊納擊穿完全不同,在高的反向電壓下
 
NO.5二極管的擊穿現象可以利用嗎?
部分二極管就是利用了二極管的反向擊穿特性設計制造出來的。例如穩壓二極管,也叫齊納二極管,就是利用二極管的反向擊穿特性進行穩壓的。它是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件.在這臨界擊穿點上,反向電阻降低到一個很小的數值,在這個低阻區中電流增加而電壓則保持恒定。
雪崩二極管是在外加電壓作用下可以產生高頻振蕩的晶體管。利用雪崩擊穿對晶體注入載流子,因載流子渡越晶片需要一定的時間,所以其電流滯后于電壓,出現延遲時間,若適當地控制渡越時間,那么,在電流和電壓關系上就會出現負阻效應,從而產生高頻振蕩。
 
NO.6熱擊穿是什么?
熱擊穿的本質是處于電場中的介質,由于其中的介質損耗而產生熱量,就是電勢能轉換為熱量,當外加電壓足夠高時,就可能從散熱與發熱的熱平衡狀態轉入不平衡狀態,若發出的熱量比散去的多,介質溫度將愈來愈高,直至出現永久性損壞,這就是熱擊穿。

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