在正常情況下，反向偏置PN結(jié)中只有很小的電流。該泄漏電流保持恒定，直到反向電壓超過(guò)某個(gè)值。在此值之后，PN結(jié)突然開(kāi)始具有大電流傳導(dǎo)（圖1.15）。這種突然和顯著的反向傳導(dǎo)是反向擊穿，如果沒(méi)有外部措施限制電流，可能會(huì)對(duì)器件造成損壞。反向擊穿通常設(shè)定固態(tài)器件的最大工作電壓。但是，如果采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施來(lái)限制電流，則反向擊穿可以用作非常穩(wěn)定的參考電壓。
圖1.15 PN結(jié)二極管的反向擊穿
導(dǎo)致反向擊穿的一種機(jī)制是雪崩多重現(xiàn)象。考慮反向偏置PN結(jié)。隨著偏壓的增加，耗盡區(qū)域變寬，但不足以阻止電場(chǎng)強(qiáng)化。強(qiáng)大的電場(chǎng)以非常高的速度加速一些載流子穿過(guò)耗盡區(qū)。當(dāng)這些載流子與晶體中的原子碰撞時(shí)，它們會(huì)撞擊松散的價(jià)電子并產(chǎn)生額外的載流子。因?yàn)檩d體可以通過(guò)撞擊產(chǎn)生額外的數(shù)千個(gè)外部載流子，就像雪球會(huì)產(chǎn)生雪崩一樣，因此這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為雪崩多重現(xiàn)象。
反向擊穿的另一種機(jī)制是隧道效應(yīng)。隧道是一種量子機(jī)制過(guò)程，無(wú)論任何障礙物，粒子都可以移動(dòng)一小段距離。如果耗盡區(qū)足夠薄，則載流子可以通過(guò)隧穿跳過(guò)。隧穿電流主要由耗盡區(qū)的寬度和結(jié)上的電壓差決定。由隧道引起的反向擊穿稱(chēng)為齊納擊穿。
結(jié)的反向擊穿電壓取決于耗盡區(qū)的寬度。耗盡區(qū)越寬，所需的擊穿電壓越高。如前所述，摻雜越輕，耗盡區(qū)越寬，擊穿電壓越高。當(dāng)擊穿電壓小于5伏時(shí)，耗盡區(qū)太薄，主要是齊納擊穿。當(dāng)擊穿電壓高于5伏時(shí)，主要是雪崩擊穿。設(shè)計(jì)用于反向?qū)顟B(tài)的PN二極管根據(jù)主導(dǎo)工作機(jī)制稱(chēng)為齊納二極管或雪崩二極管。齊納二極管的擊穿電壓小于5伏，而雪崩二極管的擊穿電壓高于5伏。工程師經(jīng)常將它們稱(chēng)為齊納管，無(wú)論它們?nèi)绾喂ぷ鳌Ｒ虼耍饕蕾?lài)于雪崩擊穿工作的7V齊納管可能會(huì)造成混淆。
實(shí)際上，結(jié)的擊穿電壓不僅與其摻雜特性有關(guān)，而且與其幾何形狀有關(guān)。上面的討論分析了平面結(jié)，其中兩個(gè)均勻摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域在一個(gè)平面中相交。雖然一些真正的結(jié)接近這個(gè)理想，但大多數(shù)結(jié)是彎曲的。曲率增強(qiáng)了電場(chǎng)并降低了擊穿電壓。曲率半徑越小，擊穿電壓越低。該效應(yīng)對(duì)薄結(jié)的擊穿電壓有很大影響。大多數(shù)肖特基二極管在金屬 - 硅界面的邊緣處具有明顯的故障。除非有特殊措施來(lái)削弱肖特基勢(shì)壘邊緣的電場(chǎng)，否則電場(chǎng)增強(qiáng)可以大大降低肖特基二極管的測(cè)量擊穿電壓。
圖1.16是上面討論的所有電路符號(hào)。 PN結(jié)使用直線表示陰極，而肖特基二極管和齊納二極管對(duì)陰極端進(jìn)行一些修改。在所有這些圖例中，箭頭的方向表示二極管正向偏置下的電流方向。在齊納二極管中，此箭頭可能有些誤導(dǎo)，因?yàn)辇R納二極管通常在反向偏置狀態(tài)下工作。對(duì)于不經(jīng)意的觀察者，該符號(hào)應(yīng)插入短語(yǔ)“方向反轉(zhuǎn)”旁邊。
圖1.16 PN結(jié)，肖特基二極管和齊納二極管的電路圖符號(hào)。在一些電路圖符號(hào)中，箭頭是空心或半箭頭。
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