二极管中的隧道效应和齐纳击穿现象

众所周知，对于传统的二极管来说，雪崩击穿是一种常见的由载流子碰撞主导的击穿方式。然而，除了雪崩击穿外，还存在另一种造成功率二级管电流瞬间增大的效应，即齐纳击穿。齐纳击穿是在强电场和隧道效应的作用下，大量电子从价带穿过禁带而进入到导带时所引起的一种击穿现象。

图1 隧道结的电流电压特性

齐纳击穿又称为隧道击穿，因此本推文首先重点介绍一下p+/n+结中的隧道效应。图1展示了p+/n+结工作电流随外加偏置电压变化的典型分布，该变化趋势直接取决于p+/n+结能带分布。

图2 隧道结的简单能带图

首先，对应图1中特性曲线的点1，当隧道结外加一个较小的正向偏压时，n+区的能带相对于p+区抬高了qV，此时费米能级不再统一，能带图如图2（a） 所示，这时结两侧能量相等的量子态中，p+区价带的费米能级以上有未被电子占据的量子态，n+区导带的费米能级以下量子态被电子占据，因此n+区导带中的电子可以通过隧道效应跨过禁带到达p+区价带中，形成由p+指向n+的正向隧道电流，且正向电流会随着电压的逐渐增大，最终达到一个最大值（Ip），此时对应图1中特性曲线的点2; 随着正向偏压的进一步增大，结两侧相同的量子态数目慢慢减少，直到n+区导带底和p+区价带顶一样高时，结两侧相同的量子态数目为零，从图2（b）和（c）的能带图的变化可以看出。

此时电流会从最大值Ip 慢慢减小到最小值Iv，此时对应图1中特性曲线的点3。最后，随着正向偏压的继续增大（V》Vv），外加偏置Vv对应图1中特性曲线的点4，此时p+ /n+结开始导通，扩散电流成为主要电流成分，正向电流开始迅速增大。当器件外加反向偏压时，对应图1中特性曲线的点5，此时能带图如图2（d）所示，p+区能带相对n+区能带升高，p+区中的价带电子能够很容易隧穿到n+区导带未被电子占据的量子态中，从而产生反向隧道电流。

随着反向偏压的增加，从p+区价带隧穿到n+区导带中的电子数目大大增加，使得反向隧道电流迅速增大，导致器件发生隧道击穿，即齐纳击穿。

为了让大家对齐纳击穿与雪崩击穿有更深的了解，本文整理了以下三点区别：

1） 齐纳击穿主要取决于空间电荷区中的强电场，并且需要较薄的隧穿区域；而碰撞电离过程既与场强大小有关，也与载流子的碰撞累积过程有关。当空间电荷区越宽时，倍增次数越多，因此雪崩击穿除了与电场强度有关以外，同样与空间电荷区的宽度有关，区别在于雪崩击穿要求“结厚”，而齐纳击穿要求”结薄”；

2） 由于温度升高造成禁带宽度减小，隧穿几率增大，因此由隧道效应决定的击穿电压具有负的温度系数，即击穿电压随温度升高而减小。而由于温度升高，载流子受散射加剧，碰撞电离率随温度升高而减小，则雪崩效应导致的击穿电压随温度升高而增加，即温度系数为正；

3） 对于掺杂浓度较高，且势垒区较薄的PN结，以齐纳击穿为主；而对于掺杂较低，且势垒区较宽的PN结，则以雪崩击穿为主，并且击穿电压一般较高。

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