《涨知识啦35》-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载流子碰撞击穿方式。然而，除了雪崩击穿外，还有另一种二次管电流瞬间增加的效应，即齐纳击穿。齐纳击穿是在强电场和隧道效应的作用下，大量电子从价带通过禁带进入导带时造成的击穿现象。

图1 隧道结的电流电压特性
齐纳击穿也被称为隧道击穿，所以本推文首先关注p /n 隧道效应在结中。图1显示p /n 结工作电流和偏置电压变化的典型分布直接取决于p /n 结能带分布。

图2 简单的隧道结可以带图
首先，当隧道结加上较小的正向偏压时，对应图1中特征曲线的点1，n 相对于区的能带p 区抬高了qV，此时费米能级不再统一，能带图如图2(a) 结两侧能量相等的量子态，p 区价带的费米能级以上有未被电子占据的量子态，n 电子占据了区导带的费米能级以下量子态，因此n 通过隧道效应，区导带中的电子可以跨越禁带p 在区价带中，形成原因p 指向n 随着电压的逐渐增加，正隧道电流最终达到最大值（Ip），对应图1中特征曲线的点2； 随着正偏压的进一步增加，结两侧相同的量子态数量逐渐减少，直到n 区导带底和p 当区价带顶一样高时，从图2两侧相同的量子态数为零（b）和（c）可以看到带图的变化。电流将从最大值开始Ip 慢慢减小到最小值Iv，对应图1中特征曲线的点3。电流将从最大值开始Ip 慢慢减小到最小值Iv，此时，对应图1中特征曲线的点3。最后，随着正偏压的不断增加（V>Vv），外加偏置Vv对应图1中特征曲线的点4，此时p /n 扩散电流成为主要电流成分，正电流开始迅速增加。当设备加上反向偏压时，图1中特征曲线的点5可以带图2（d）所示，p 区能带相对n 区能带升高，p 区内的价带电子可以很容易地隧道穿透n 在电子量子态下，区导带产生反向隧道电流。从p 区价带隧穿n 区导带电子数量大幅增加，导致反向隧道电流快速增加，导致设备隧道击穿，即齐纳击穿。
本文整理了以下三个区别：

1. 齐纳击穿主要取决于空间电荷区的强电场，需要较薄的隧道穿透区；碰撞电离过程不仅与现场强度有关，还与载流子的碰撞积累过程有关。空间电荷区越宽，倍增次数越多。因此，雪崩击穿不仅与电场强度有关，还与空间电荷区的宽度有关。区别在于雪崩击穿需要厚度，而齐纳击穿需要薄度；
2. 由于温度升高导致禁带宽度降低，隧道穿透概率增加，隧道效应决定的击穿电压具有负温度系数，即击穿电压随温度升高而降低。由于温度升高，载流子散射加剧，碰撞电离率随温度升高而降低，雪崩效应引起的击穿电压随温度升高而升高，即温度系数为正；
3. 掺杂浓度高，势垒区薄PN结，以齐纳击穿为主；对于掺杂较低、势垒较宽的人PN以雪崩击穿为主，击穿电压一般较高。
   参考文献：
   [1] S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices. John Wiley and Sons, New York, 1981, p. 120.
   [2] E. k. Liu, The physics of Semiconductors, pp. 211-213.