電(diàn)路设计了解二极管的击穿電(diàn)压

2020-12-12

没有(yǒu)半导體(tǐ)，现代電(diàn)子产品将无法实现，二极管是最基本的半导體(tǐ)器件之一。记住電(diàn)子學(xué)101类的任何人都应该记住二极管的功能(néng)：迫使電(diàn)流沿一个方向流动。但是，所有(yǒu)二极管均具有(yǒu)击穿電(diàn)压，超过该击穿電(diàn)压，二极管将允许電(diàn)流沿相反方向（从阴极到阳极）流动。在某些应用(yòng)中，例如桥式整流，ESD保护，電(diàn)压调节等等，这实际上非常重要。

现在的问题是，在击穿发生之前，二极管能(néng)被驱动多(duō)大的反向偏压？如果您是组件设计人员，或者要构建一个系统以通过唯一的信号传输标准与其他(tā)组件接口，则二极管的击穿電(diàn)压就变得非常重要。以下是击穿電(diàn)压的产生方式及其对组件的含义。

二极管击穿電(diàn)压方程

当以正向偏置驱动时，所有(yǒu)二极管均表现出整流作用(yòng)；而当以反向偏置以高電(diàn)压驱动时，它们则表现出击穿特性。在高反向偏置下，各种二极管（pn二极管，肖特基二极管或齐纳二极管）产生击穿并驱动電(diàn)流流动的确切机制是不同的。当查看描述二极管中電(diàn)流的等式时，仅考虑正向電(diàn)流。由二极管击穿引起的反向電(diàn)流不存在于该方程式中。

因此，公平地问，二极管的击穿電(diàn)压是多(duō)少？答(dá)案通常在数据表中找到，但是如何计算该值？不幸的是，没有(yǒu)适用(yòng)于所有(yǒu)器件的二极管击穿方程。有(yǒu)几个因素决定半导體(tǐ)二极管的击穿電(diàn)压：

物(wù)理(lǐ)机制：两种不同的物(wù)理(lǐ)机制在不同的二极管中占主导地位：雪(xuě)崩和隧道效应。两种机制在故障期间可(kě)以同时发生，但只有(yǒu)一种机制占主导。

掺杂分(fēn)布：掺杂剂的分(fēn)布和二极管中的任何渐变都会影响击穿電(diàn)压。

几何形状和结构：二极管的几何形状会影响電(diàn)场分(fēn)布，尤其是在二极管边缘附近。

由于确切的击穿電(diàn)压将取决于这些复杂因素，因此没有(yǒu)适用(yòng)于所有(yǒu)二极管的单个击穿電(diàn)压公式。但是，有(yǒu)一些经验结果和来自量子力學(xué)的重要方程式可(kě)以帮助您了解二极管的击穿電(diàn)压。

雪(xuě)崩击穿

在低载流子密度下，雪(xuě)崩击穿是在高反向偏置電(diàn)压下驱动高電(diàn)流的主要机制。在此，尽管電(diàn)流和反向偏置的施加電(diàn)压之间存在关系，但二极管没有(yǒu)特定的击穿電(diàn)压。这被公式化為(wèi)一个乘数因子，总電(diàn)流是该因子与饱和電(diàn)流的乘积。

二极管中雪(xuě)崩击穿的倍数。

在上式中，n為(wèi)2到6。在高载流子密度下，量子隧穿成為(wèi)控制電(diàn)荷通过二极管传输的主要机制。这种反向偏置的传输方式称為(wèi)隧穿击穿。

隧道故障

当電(diàn)荷载流子（電(diàn)子）遇到势垒（例如，齐纳二极管中p型和n型區(qū)域之间的势垒）时，总是发生隧穿。一旦半导體(tǐ)异质结中的载流子浓度超过〜10 17 cm -3，隧穿将成為(wèi)主要的击穿机理(lǐ)。在这里，您可(kě)以根据施加的電(diàn)压来计算隧道電(diàn)流，但是没有(yǒu)特定的击穿電(diàn)压。通过计算跨结的隧穿概率作為(wèi)掺杂分(fēn)布的函数，可(kě)以使用(yòng)以下公式计算跨异质结的電(diàn)流密度。

由于二极管击穿而产生的隧道電(diàn)流。

这些符号的定义可(kě)以在许多(duō)半导體(tǐ)器件教科(kē)书中找到。请注意，结V（x）两端的势能(néng)取决于掺杂分(fēn)布和所施加的電(diàn)压，因此该方程式很(hěn)好地捕获了二极管内電(diàn)荷载流子的分(fēn)布。由于这种击穿是由于结區(qū)中较高的载流子浓度而发生的，因此击穿電(diàn)压低于对应于雪(xuě)崩击穿的击穿電(diàn)压。

在SPICE仿真中包括二极管击穿電(diàn)压

基本電(diàn)路仿真器并不总是在其電(diàn)气模型中包括二极管的击穿電(diàn)压。正向電(diàn)流方程式通常与典型的理(lǐ)想因子和饱和電(diàn)流值一起使用(yòng)。这是通过标准二极管方程式完成的，该方程式可(kě)以在简单的模拟電(diàn)路模拟器中以数字方式定义。

SPICE仿真器采用(yòng)不同的方法，并使用(yòng)一组标准的電(diàn)气参数来全面描述任何二极管的行為(wèi)。这些参数的值可(kě)以从数据表或测量值中确定。这些電(diàn)气参数包括：

饱和電(diàn)流

寄生串联電(diàn)阻

发射系数（1到2）

运输时间

零偏置结電(diàn)容

结两端的内置電(diàn)压

节点渐变掺杂系数（線(xiàn)性渐变為(wèi)0.33，突变渐变為(wèi)0.5）

活化能(néng)

饱和電(diàn)流温度指数

正向偏置耗尽電(diàn)容系数

反向击穿電(diàn)压和電(diàn)流

最好的基于SPICE的電(diàn)路仿真器将使您能(néng)够访问标准模型的真实二极管，例如1NXXXX二极管。这些模型文(wén)件包括预定义的電(diàn)气参数值。在為(wèi)其他(tā)二极管创建组件模型时，需要在进行仿真之前将電(diàn)参数从测量值或数据表复制到模型文(wén)件中。完成此操作后，可(kě)以将模型附加到新(xīn)的组件模型中，以进行标准仿真，例如瞬态分(fēn)析或参数扫描。在这些模型中，明确包括了反向击穿電(diàn)压，不需要使用(yòng)上面给出的公式直接计算出反向击穿電(diàn)压。