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2017年12月19日 星期二

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半导体中的雪崩倍增效应 - 半导体中的雪崩倍增效应 [回目录]

半导体中的雪崩倍增效应 - 正文 [回目录]

  在强电场下,半导体中的载流子会被电场加热(见半导体中的热载流子),部分载流子可以获得足够高的能量,这些载流子有可能通过碰撞把能量传递给价带上的电子,使之发生电离,从而产生电子-空穴对,这种过程称为碰撞电离。所产生的电子空穴对,在电场中向相反方向运动,又被电场加热并产生新的电子空穴对。依此方式可以使载流子大量增殖,如图1所示。这种现象称为雪崩倍增效应。

半导体中的雪崩倍增效应半导体中的雪崩倍增效应

  通常用电离率来描述碰撞电离效应的强弱。它定义为一个载流子通过单位距离平均所产生的电子空穴对的数目。电离率强烈依赖于电场,也是温度的函数(由于温度升高,点阵散射增强,倾向于阻碍对载流子的加热,通常电离率随温度的升高而下降)。电子和空穴一般具有不同的电离率。图2给出了室温下由实验测量得到的几种半导体中电子电离率αn和空穴电离率αp随电场强度的变化。电离率通常可用下列经验公式表示

αA半导体中的雪崩倍增效应,

式中ε为电场强度,Abm为常数。
  半导体中的雪崩效应是引起PN结击穿的一种机制。加反向偏压的PN结,其空间电荷区内有很强的电场。在反向偏压足够高,空间电荷区内电场足够强时,热生载流子在通过强电场区时会产生雪崩倍增效应。于是反向电流会随反向电压迅速增加,这种现象称为雪崩击穿。对于硅、锗的PN结,当击穿电压大于6Eg/q时(Eg是禁带宽度,q是电子电荷),击穿由雪崩效应引起,而当击穿电压小于4Eg/q时,击穿由另一种效应,即隧道效应所引起。
  在雪崩机制中,电流的倍增不仅决定于电离率的大小(或与之相联系的电场强度),而且决定于能有效产生碰撞电离的空间电荷区的宽度。雪崩击穿电压通常随温度的上升而增加。
  当PN结发生雪崩击穿时,通常伴随着发光现象,所发射光子的能量可以显著地超过禁带能量。
  如果在金属-绝缘体-半导体系统的栅上施加高的脉冲电压(例如对由P型半导体所构成的MIS结构施加正栅压)也会在半导体表面产生雪崩效应。这时半导体表面层呈深耗尽状态。在表面电场足够高时,在耗尽层中流动的热生载流子会产生雪崩倍增效应。
  对于包含PN结的半导体器件,一般说来,雪崩倍增效应是个限制性因素。但也可以利用此效应来制作某些器件,如碰撞雪崩渡越二极管及雪崩注入MOS非易失性存储元件。

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更新时间 : 2009-04-03

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