8、半导体器件原理与特性解析

半导体器件原理与特性解析

1. 反向击穿机制

在足够大的反向偏置条件下，会发生结击穿现象，同时伴随着较大的反向电流，该电流往往仅受外部电路限制。在超大规模集成电路（VLSI）中，这种情况是不希望出现的，必须加以避免。

反向击穿主要有两种重要机制：
- 雪崩击穿 ：发生在单边 n⁺ - p 或 p⁺ - n 结中，涉及碰撞电离。在耗尽区的载流子从高电场中获得足够能量，撞击硅晶格原子使其电离，产生的电子和空穴会被耗尽层电场加速，进而参与到这个过程中，形成雪崩效应。对于单边 n⁺ - p 或 p⁺ - n 结，雪崩击穿电压仅取决于轻掺杂一侧的杂质浓度。杂质浓度越高，在给定反向偏置下，耗尽区越窄，峰值电场越高。描述雪崩过程的电离系数是电场的指数函数，因此随着轻掺杂一侧杂质浓度的增加，击穿电压会显著降低。
- 齐纳击穿 ：涉及电子在反向偏置条件下通过极薄的耗尽层进行量子力学隧穿。这要求耗尽层宽度约为 10 nm 或更小，并且只有在结两侧都进行重掺杂时才会发生。

在硅 p - n 结中，击穿电压大于约 8 V 时，雪崩击穿占主导；击穿电压低于约 4 V 时，齐纳击穿占主导；击穿电压在 4 - 8 V 之间时，雪崩和齐纳两种机制都会起作用。以下是不同击穿机制的总结表格：
| 击穿机制 | 发生条件 | 击穿电压范围 |
| ---- | ---- | ---- |
| 雪崩击穿 | 单边 n⁺ - p 或 p⁺ - n 结，碰撞电离 | > 8 V |
| 齐纳击穿 | 结两侧重掺杂，量子隧穿 | < 4 V |
| 混合击穿 | 雪崩和