齊納二極管擊穿特性研究

1、燕山大學課 程 設 計 說 明 書 題目 齊納二極管擊穿特性研究 學院（系） 年級專業(yè)： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 教師職稱： 燕山大學課程設計（論文）任務書院（系）： 理學院 基層教學單位：09電子信息科學與技術二班 學 號090108040035學生姓名專業(yè)（班級）09電子信息科學與技術二班設計題目齊納二極管擊穿特性研究設計技術參數設計參數：穩(wěn)定電壓;最大耗散功率；穩(wěn)定電流；動態(tài)電阻；穩(wěn)定電壓的溫度系數設計要求了解二極管的各項特性及齊納二極管的穩(wěn)壓機理利用Silvaco軟件對齊納二極管進行仿真，準確的到其穩(wěn)壓特性曲線，研究擴散溫度T和擴散時間time對其穩(wěn)定電壓的影響并的出結論工作

2、量二十個工作日左右每個工作日三到五小時工作計劃2012/10/22-2012/10/28 實驗選題2012/10/29-2012/11/04 實驗操作2012/11/05-2012/11/11 實驗論文參考資料1劉恩科.半導體物理學（第七版）.電子工業(yè)出版社2SILVACOATLAS操作文檔.中山大學微電子實驗室3Stephen A. Campbell.微電子制造科學原理與工程技術（第二版）.電子工業(yè)出版社，2004.2指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、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，簡稱穩(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體器件。穩(wěn)壓管在反向擊穿時，在一定的電流范圍內（或者說在一定功率損耗范圍內），端電壓幾乎不變，表現出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。穩(wěn)壓二極管是根據擊穿電壓來分檔的,因為這種特性,穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用.其伏安特性見圖1,穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。關鍵詞：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. 實驗原理1. 半導體二極管的伏安特性晶體二極管為一個由P型半導體和N型半導體形成的PN結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于PN 結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流。當外加的反向電壓高到一定程度時，PN結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊

8、穿電流，稱為二極管的擊穿現象。二極管具有單向導電性，可用其伏安特性來描述。所謂伏安特性，就是指加到二極管兩端的電壓與流過二極管的電流的關系曲線，如下圖所示。這個特性曲線可分為正向特性和反向特性兩個部分。圖1 半導體的伏安特性曲線1) 正向特性當正向電壓很低時，正向電流幾乎為零，這是因為外加電壓的電場還不能克服PN結內部的內電場，內電場阻擋了多數載流子的擴散運動，此時二極管呈現高電阻值，基本上還是處于截止的狀態(tài)。如圖1 所示，正向電壓超過二極管開啟電壓（又稱為死區(qū)電壓）時，電流增長較快，二極管處于導通狀態(tài)。開啟電壓與二極管的材料和工作溫度有關，通常硅管的開啟電壓為(A點)，鍺管為(A'點

9、)。二極管導通后，二極管兩端的導通壓降很低，硅管為0.60.7 V，鍺管為0.20.3 V如圖1中B、B'點。2) 反向特性在分析PN結加上反向電壓時，已知少數載流子的漂移運動形成反向電流。因少數載子數量少，且在一定溫度下數量基本維持不變，因此，廈向電壓在一定范圍內增大時，反向電流極微小且基本保持不變，等于反向飽和電流。3) 擊穿特性當反向電壓增大到時，外電場能把原子核外層的電子強制拉出來，使半導體內載流子的數目急劇增加，反向電流突然增大，二極管呈現反向擊穿的現象如圖1中D、D'點。二極管被反向擊穿后，就失去了單向導電性。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，使用時一定要注意避免二極管發(fā)生反向熱擊穿的現象。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結中只有一個很小的電流。這個漏電流一直保持一個常數，直到反向電壓超過某個特定的值，超過這個值之后PN結突然開始有大電流導通（如圖）。這個突然的反向導通就是反向擊穿，如果沒有一些外在的措施來限制電流的話，它可能導致器件的損壞。反向擊穿通常設置了固態(tài)器件的最大工作電壓。然而，如果采取適當的預防措施來限制電流的話，反向擊穿的結能作為一個非常穩(wěn)定的參考電壓。圖2 擊穿示意圖在重擴散的PN結中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)

11、內形成很強的電場。當反向電壓大到一定值時，強電場足以將耗盡區(qū)內中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產生大量電子、空穴對，使反向電流急劇增大。這種擊穿稱為齊納擊穿或場致?lián)舸е路聪驌舸┑牧硪粋€機制是雪崩擊穿Avalanche Multiplication材料摻雜濃度較低的PN結中，當PN結反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中的電場隨著增強。這樣通過空間電荷區(qū)的電子和空穴，就會在電場作用下，使獲得的能量增大。在晶體中運行的電子和空穴將不斷的與晶體原子發(fā)生碰撞,通過這樣的碰撞可使束縛在共價鍵中的價電子碰撞出來,產生自由電子-空穴對。新產生的載流子在電場作用下撞出其他價電子,又產生新的自由電子空穴對。如此連鎖反

12、應，使得阻擋層中的載流子的數量雪崩式地增加,流過PN結的電流就急劇增大，所以這種碰撞電離稱為雪崩擊穿，它是一種破壞性的電子現象，而齊納擊穿是暫時性可恢復的。2) 齊納二極管一般二極管處于逆向偏壓時，若電壓超過PIV(逆向峰值電壓)值時二極管將受到破壞，這是因為一般二極管在兩端的電位差既高之下又要通過大量的電流，此時所產生的功率所衍生的熱量足以使二極管燒毀。齊納二極管就是專門被設計在崩潰區(qū)操作，是一個具有良好的功率散逸裝置，可以當做電壓參考或定電壓組件。若利用齊納二極管作為電壓調節(jié)器，將使附載電壓保持在附近且?guī)缀跷ㄒ欢ㄖ担皇芨捷d電流或電源上電壓變動影響。齊納二極管的型號有2CW、2DW 等系列

13、，它的電路符號如圖3所示。圖3齊納二極管符號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，當電壓未達崩潰電壓以前，二極管上并不會有電流產生，但當逆向電壓達到崩潰電壓時，每一微小電壓的增加就會產生相當大的電流，此時二極管兩端的電壓就會保持于一個變化量相當微小的電壓值(幾乎等于崩潰電壓)，下圖為齊納二極管之電壓電流曲線，可由此應證上述說明。圖4 齊納二極管電流電壓曲線一般二極管之崩潰電壓，在制作時可以隨意加以控制，所以一般齊納二極管之崩電壓從數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住 外，均會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最大電

14、流。3. 主要參數說明現以Si二極管為例，簡要介紹一下齊納二極管的主要電學參數。下圖為齊納管的伏安特性曲線圖5 齊納二極管伏安特性曲線說明圖1) 穩(wěn)定電壓在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流下，所對應的反向工作電壓。2) 動態(tài)電阻其概念與一般二極管的動態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻是從它的反向特性曲線上求取的。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結的面積和散熱等條件。反向工作時PN結的功率損耗為 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 而對應，即反向特性曲線剛剛擊穿處對應的 。若則不能穩(wěn)壓。5) 穩(wěn)定

15、電壓的溫度系數溫度的變化將使改變，在穩(wěn)壓管中當7 V時，具有正溫度系數，反向擊穿是雪崩擊穿。 當4 V時，具有負溫度系數，反向擊穿是齊納擊穿。當4 V7 V時，正、負溫度系數在某一點上互相抵消，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標準穩(wěn)壓管使用，提供十分穩(wěn)定的直流電壓。2. 仿真模擬及研究結果本實驗使用Silvaco軟件對齊納二極管進行仿真，對不同擴散溫度、擴散時間等條件下齊納二極管擊穿特性曲線進行模擬。1) 齊納二極管的仿真如下圖所示，為time=30s,T=1000K時的仿真圖像圖6 齊納二極管的Silvaco仿真2) 擊穿特性的仿真以下為不同擴散時間time、擴散溫度

16、T條件下，齊納二極管的擊穿特性曲線：l time=30s一定，T不同時的仿真結果圖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得到的仿真結果圖11 Time=60s,T=1000K圖12 Time=120s,T=1000K圖13 Time=300s,T=1000K3. 實驗結果分析1. 由以上擊穿特性曲線圖，可以看到：擊穿時，曲線變化趨勢很“陡”，電流升高而電壓幾乎不變，擊穿電壓即為穩(wěn)定電壓，驗證了齊納二極管的穩(wěn)壓特性，同時也說明了模擬程序的正確性。2. 圖8、9、10與圖7相比較，可以看到在擴散時間一定時，擴散溫度對齊納管擊穿特性的影響：一定范圍內（如實驗中T=10001100K），隨著溫度的增加，半導體的晶格振動加強，載流子與晶格碰撞損失的能量也隨之增加，從電場積累的能量的速率就會變慢，因此，要達到發(fā)生能碰撞電離的動能就需要更強的電場。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，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，擴散時間對齊納管擊穿特性的影響：擴散時間越長，得到的穩(wěn)定電壓就會越大，這是因為擴散時