齊納二極管擊穿特性研究

1、燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 題目 齊納二極管擊穿特性研究 學(xué)院（系） 年級(jí)專(zhuān)業(yè)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱(chēng)： 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)院（系）： 理學(xué)院 基層教學(xué)單位：09電子信息科學(xué)與技術(shù)二班 學(xué) 號(hào)090108040035學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)（班級(jí)）09電子信息科學(xué)與技術(shù)二班設(shè)計(jì)題目齊納二極管擊穿特性研究設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)：穩(wěn)定電壓;最大耗散功率；穩(wěn)定電流；動(dòng)態(tài)電阻；穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)設(shè)計(jì)要求了解二極管的各項(xiàng)特性及齊納二極管的穩(wěn)壓機(jī)理利用Silvaco軟件對(duì)齊納二極管進(jìn)行仿真，準(zhǔn)確的到其穩(wěn)壓特性曲線(xiàn)，研究擴(kuò)散溫度T和擴(kuò)散時(shí)間time對(duì)其穩(wěn)定電壓的影響并的出結(jié)論工作

2、量二十個(gè)工作日左右每個(gè)工作日三到五小時(shí)工作計(jì)劃2012/10/22-2012/10/28 實(shí)驗(yàn)選題2012/10/29-2012/11/04 實(shí)驗(yàn)操作2012/11/05-2012/11/11 實(shí)驗(yàn)論文參考資料1劉恩科.半導(dǎo)體物理學(xué)（第七版）.電子工業(yè)出版社2SILVACOATLAS操作文檔.中山大學(xué)微電子實(shí)驗(yàn)室3Stephen A. Campbell.微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)（第二版）.電子工業(yè)出版社，2004.2指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。年 月 日 齊納二極管及其特性的研究摘 要：齊納二極管(又叫穩(wěn)壓二極管)是一種硅材

3、料制成的面接觸型晶體二極管，簡(jiǎn)稱(chēng)穩(wěn)壓管。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說(shuō)在一定功率損耗范圍內(nèi)），端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來(lái)分檔的,因?yàn)檫@種特性,穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用.其伏安特性見(jiàn)圖1,穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)以便在較高的電壓上使用,通過(guò)串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。關(guān)鍵詞：齊納二極管、反向擊穿、Silvaco、模擬Zener diode breakdown characteristicsAbstract ：The zener dio

4、des (also known as Zener diode) is made of a silicon material surface contact diode, referred to as the regulator. This diode is a until the critical reverse breakdown voltage has a high resistance of the semiconductor device. Regulator in the reverse breakdown, a certain current range (or within a

5、certain power loss range), the terminal voltage is almost unchanged, showing the constant voltage characteristic, which is widely applied to the regulated power supply, and the limiter circuit being. Zener diode sub-file is based on the breakdown voltage, because of this characteristic, the regulato

6、r is mainly used as a regulator or a voltage reference element, the voltage characteristics shown in Figure 1, the Zener diode may be strung together in order to the high voltage is used, more stable voltage can be obtained through the series.Key word: Zener diode ,Reverse breakdown, Silvaco, simula

7、tion1. 實(shí)驗(yàn)原理1. 半導(dǎo)體二極管的伏安特性晶體二極管為一個(gè)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于PN 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無(wú)關(guān)的反向飽和電流。當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，PN結(jié)空間電荷層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過(guò)程，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊

8、穿電流，稱(chēng)為二極管的擊穿現(xiàn)象。二極管具有單向?qū)щ娦?，可用其伏安特性?lái)描述。所謂伏安特性，就是指加到二極管兩端的電壓與流過(guò)二極管的電流的關(guān)系曲線(xiàn)，如下圖所示。這個(gè)特性曲線(xiàn)可分為正向特性和反向特性?xún)蓚€(gè)部分。圖1 半導(dǎo)體的伏安特性曲線(xiàn)1) 正向特性當(dāng)正向電壓很低時(shí)，正向電流幾乎為零，這是因?yàn)橥饧与妷旱碾妶?chǎng)還不能克服PN結(jié)內(nèi)部的內(nèi)電場(chǎng)，內(nèi)電場(chǎng)阻擋了多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，此時(shí)二極管呈現(xiàn)高電阻值，基本上還是處于截止的狀態(tài)。如圖1 所示，正向電壓超過(guò)二極管開(kāi)啟電壓（又稱(chēng)為死區(qū)電壓）時(shí)，電流增長(zhǎng)較快，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。開(kāi)啟電壓與二極管的材料和工作溫度有關(guān)，通常硅管的開(kāi)啟電壓為(A點(diǎn))，鍺管為(A'點(diǎn)

9、)。二極管導(dǎo)通后，二極管兩端的導(dǎo)通壓降很低，硅管為0.60.7 V，鍺管為0.20.3 V如圖1中B、B'點(diǎn)。2) 反向特性在分析PN結(jié)加上反向電壓時(shí)，已知少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成反向電流。因少數(shù)載子數(shù)量少，且在一定溫度下數(shù)量基本維持不變，因此，廈向電壓在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，反向電流極微小且基本保持不變，等于反向飽和電流。3) 擊穿特性當(dāng)反向電壓增大到時(shí)，外電場(chǎng)能把原子核外層的電子強(qiáng)制拉出來(lái)，使半導(dǎo)體內(nèi)載流子的數(shù)目急劇增加，反向電流突然增大，二極管呈現(xiàn)反向擊穿的現(xiàn)象如圖1中D、D'點(diǎn)。二極管被反向擊穿后，就失去了單向?qū)щ娦?。二極管反向擊穿又分為電擊穿和熱擊穿，利用電擊穿可制成穩(wěn)壓

10、管（即齊納二極管），而熱擊穿將引起電路故障，使用時(shí)一定要注意避免二極管發(fā)生反向熱擊穿的現(xiàn)象。2. 齊納二極管原理及特性1) 齊納擊穿和雪崩擊穿在通常情況下，反向偏置的PN結(jié)中只有一個(gè)很小的電流。這個(gè)漏電流一直保持一個(gè)常數(shù)，直到反向電壓超過(guò)某個(gè)特定的值，超過(guò)這個(gè)值之后PN結(jié)突然開(kāi)始有大電流導(dǎo)通（如圖）。這個(gè)突然的反向?qū)ň褪欠聪驌舸?，如果沒(méi)有一些外在的措施來(lái)限制電流的話(huà)，它可能導(dǎo)致器件的損壞。反向擊穿通常設(shè)置了固態(tài)器件的最大工作電壓。然而，如果采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施來(lái)限制電流的話(huà)，反向擊穿的結(jié)能作為一個(gè)非常穩(wěn)定的參考電壓。圖2 擊穿示意圖在重?cái)U(kuò)散的PN結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)

11、內(nèi)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)鍵，產(chǎn)生大量電子、空穴對(duì)，使反向電流急劇增大。這種擊穿稱(chēng)為齊納擊穿或場(chǎng)致?lián)舸?。?dǎo)致反向擊穿的另一個(gè)機(jī)制是雪崩擊穿Avalanche Multiplication材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中，當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)隨著增強(qiáng)。這樣通過(guò)空間電荷區(qū)的電子和空穴，就會(huì)在電場(chǎng)作用下，使獲得的能量增大。在晶體中運(yùn)行的電子和空穴將不斷的與晶體原子發(fā)生碰撞,通過(guò)這樣的碰撞可使束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子碰撞出來(lái),產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的載流子在電場(chǎng)作用下撞出其他價(jià)電子,又產(chǎn)生新的自由電子空穴對(duì)。如此連鎖反

12、應(yīng)，使得阻擋層中的載流子的數(shù)量雪崩式地增加,流過(guò)PN結(jié)的電流就急劇增大，所以這種碰撞電離稱(chēng)為雪崩擊穿，它是一種破壞性的電子現(xiàn)象，而齊納擊穿是暫時(shí)性可恢復(fù)的。2) 齊納二極管一般二極管處于逆向偏壓時(shí)，若電壓超過(guò)PIV(逆向峰值電壓)值時(shí)二極管將受到破壞，這是因?yàn)橐话愣O管在兩端的電位差既高之下又要通過(guò)大量的電流，此時(shí)所產(chǎn)生的功率所衍生的熱量足以使二極管燒毀。齊納二極管就是專(zhuān)門(mén)被設(shè)計(jì)在崩潰區(qū)操作，是一個(gè)具有良好的功率散逸裝置，可以當(dāng)做電壓參考或定電壓組件。若利用齊納二極管作為電壓調(diào)節(jié)器，將使附載電壓保持在附近且?guī)缀跷ㄒ欢ㄖ?，不受附載電流或電源上電壓變動(dòng)影響。齊納二極管的型號(hào)有2CW、2DW 等系列

13、，它的電路符號(hào)如圖3所示。圖3齊納二極管符號(hào)齊納二極管主要工作于逆向偏壓區(qū)，在二極管工作于逆向偏壓區(qū)時(shí)，當(dāng)電壓未達(dá)崩潰電壓以前，二極管上并不會(huì)有電流產(chǎn)生，但當(dāng)逆向電壓達(dá)到崩潰電壓時(shí)，每一微小電壓的增加就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的電流，此時(shí)二極管兩端的電壓就會(huì)保持于一個(gè)變化量相當(dāng)微小的電壓值(幾乎等于崩潰電壓)，下圖為齊納二極管之電壓電流曲線(xiàn)，可由此應(yīng)證上述說(shuō)明。圖4 齊納二極管電流電壓曲線(xiàn)一般二極管之崩潰電壓，在制作時(shí)可以隨意加以控制，所以一般齊納二極管之崩電壓從數(shù)伏特至上百伏特都有。一般齊納二極管在特性表或電路上除了標(biāo)住 外，均會(huì)注明也就是齊納二極管所能承受之做大功率，也可由換算出奇納二極管可通過(guò)最大電

14、流。3. 主要參數(shù)說(shuō)明現(xiàn)以Si二極管為例，簡(jiǎn)要介紹一下齊納二極管的主要電學(xué)參數(shù)。下圖為齊納管的伏安特性曲線(xiàn)圖5 齊納二極管伏安特性曲線(xiàn)說(shuō)明圖1) 穩(wěn)定電壓在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。2) 動(dòng)態(tài)電阻其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不過(guò)穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性曲線(xiàn)上求取的。愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。3) 最大耗散功率 穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時(shí)PN結(jié)的功率損耗為 4) 最大穩(wěn)定工作電流 和最小穩(wěn)定工作電流穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即 而對(duì)應(yīng)，即反向特性曲線(xiàn)剛剛擊穿處對(duì)應(yīng)的 。若則不能穩(wěn)壓。5) 穩(wěn)定

15、電壓的溫度系數(shù)溫度的變化將使改變，在穩(wěn)壓管中當(dāng)7 V時(shí)，具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。 當(dāng)4 V時(shí)，具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿。當(dāng)4 V7 V時(shí)，正、負(fù)溫度系數(shù)在某一點(diǎn)上互相抵消，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用，提供十分穩(wěn)定的直流電壓。2. 仿真模擬及研究結(jié)果本實(shí)驗(yàn)使用Silvaco軟件對(duì)齊納二極管進(jìn)行仿真，對(duì)不同擴(kuò)散溫度、擴(kuò)散時(shí)間等條件下齊納二極管擊穿特性曲線(xiàn)進(jìn)行模擬。1) 齊納二極管的仿真如下圖所示，為time=30s,T=1000K時(shí)的仿真圖像圖6 齊納二極管的Silvaco仿真2) 擊穿特性的仿真以下為不同擴(kuò)散時(shí)間time、擴(kuò)散溫度

16、T條件下，齊納二極管的擊穿特性曲線(xiàn)：l time=30s一定，T不同時(shí)的仿真結(jié)果圖7 Time=30s,T=1000K圖8 Time=30s,T=950K圖9 Time=30s,T=1100K圖10 Time=30s,T=1200Kl T=1000K保持不變，改變不同的time得到的仿真結(jié)果圖11 Time=60s,T=1000K圖12 Time=120s,T=1000K圖13 Time=300s,T=1000K3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1. 由以上擊穿特性曲線(xiàn)圖，可以看到：擊穿時(shí)，曲線(xiàn)變化趨勢(shì)很“陡”，電流升高而電壓幾乎不變，擊穿電壓即為穩(wěn)定電壓，驗(yàn)證了齊納二極管的穩(wěn)壓特性，同時(shí)也說(shuō)明了模擬程序的正確性。2. 圖8、9、10與圖7相比較，可以看到在擴(kuò)散時(shí)間一定時(shí)，擴(kuò)散溫度對(duì)齊納管擊穿特性的影響：一定范圍內(nèi)（如實(shí)驗(yàn)中T=10001100K），隨著溫度的增加，半導(dǎo)體的晶格振動(dòng)加強(qiáng)，載流子與晶格碰撞損失的能量也隨之增加，從電場(chǎng)積累的能量的速率就會(huì)變慢，因此，要達(dá)到發(fā)生能碰撞電離的動(dòng)能就需要更強(qiáng)的電場(chǎng)。故，齊納二極管的穩(wěn)定電壓（即擊穿電壓）隨溫度升高而增大。但在T=950K和T=1200K時(shí)，顯然齊納二極管已不具有穩(wěn)壓能力或不完全具有穩(wěn)壓能力。3. 圖11、12、12與圖7相比較，可以看出溫度一定時(shí)，擴(kuò)散時(shí)間對(duì)齊納管擊穿特性的影響：擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，得到的穩(wěn)定電壓就會(huì)越大，這是因?yàn)閿U(kuò)散時(shí)