齐纳二极管击穿特性研究.doc

燕山大学
课 程 设 计 说 明 书

题目 齐纳二极管击穿特性研究

学院（系）
年级专业：
学 号：
学生姓名：
指导教师：
教师职称：

燕山大学课程设计（论文）任务书
院（系）： 理学院 基层教学单位：09电子信息科学与技术二班
学 号
090108040035
学生姓名

专业（班级）
09电子信息科学与技术二班
设计题目
齐纳二极管击穿特性研究
设
计
技
术
参
数
设计参数：
稳定电压;
最大耗散功率；
稳定电流；
动态电阻；
稳定电压的温度系数

设
计
要
求

了解二极管的各项特性及齐纳二极管的稳压机理
利用Silvaco软件对齐纳二极管进行仿真，准确的到其稳压特性曲线，研究扩散温度T和扩散时间time对其稳定电压的影响并的出结论
工
作
量
二十个工作日左右
每个工作日三到五小时
工
作
计
划

2012/10/22---2012/10/28 实验选题
2012/10/29---2012/11/04 实验操作
2012/11/05---2012/11/11 实验论文

参
考
资
料

[1]刘恩科.半导体物理学（第七版）.电子工业出版社
[2]SILVACO‐ATLAS操作文档.中山大学微电子实验室
[3]Stephen A. Campbell.微电子制造科学原理与工程技术（第二版）.电子工业出版社，2004.2

指导教师签字

基层教学单位主任签字

说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。
年 月 日

燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书
齐纳二极管及其特性的研究
摘 要：齐纳二极管(又叫稳压二极管)是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性见图1,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。
关键词：齐纳二极管、反向击穿、Silvaco、模拟
Zener diode breakdown characteristics
Abstract ：The zener diodes (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 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 regulator 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, simulation

一. 实验原理
1. 半导体二极管的伏安特性
晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于PN 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。当外加的反向电压高到一定程度时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
二极管具有单向导电性，可用其伏安特性来描述。所谓伏安特性，就是指加到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线，如下图所示。这个特性曲线可分为正向特性和反向特性两个部分。

图1 半导体的伏安特性曲线
1) 正向特性
当正向电压很低时，正向电流几乎为零，这是因为外加电压的电场还不能克服PN结内部的内电场，内电场阻挡了多数载流子的扩散运动，此时二极管呈现高电阻值，基本上还是处于截止的状态。如图1 所示，正向电压超过二极管开启电压（又称为死区电压）时，电流增长较快，二极管处于导通状态。开启电压与二极管的材料和工作温度有关，通常硅管的开启电压为(A点)，锗管为(A'点)。二极管导通后，二极管两端的导通压降很低，硅管为0.6～0.7 V，锗管为0.2～0.3 V如图1中B、B'点。

2) 反向特性
在分析PN结加上反向电压时，已知少数载流子的漂移运动形成反向电流。因少数载子数量少，且在一定温度下数量基本维持不变，因此，厦向电压在一定范围内增大时，反向电流极微小且基本保持不变，等于反向饱和电流。
3) 击穿特性
当反向电压增大到时，外电场能把原子核外层的电子强制拉出来，使半导体内载流子的数目急剧增加，反向电流突然增大，二极管呈现反向击穿的现象如图1中D、D'点。二极管被反向击穿后，就失去了单向导电性。二极管反向击穿又分为电击穿和热击穿，利用电击穿可制成稳压管（即齐纳二极管），而热击穿将引起电路故障，使用时一定要注意避免二极管发生反向热击穿的现象。
2. 齐纳二极管原理及特性
1) 齐纳击穿和雪崩击穿
在通常情况下，反向偏置的PN结中只有一个很小的电流。这个漏电流一直保持一个常数，直到反向电压超过某个特定的值，超过这个值之后PN结突然开始有大电流导通（如图）。这个突然的反向导通就是反向击穿，如果没有一些外在的措施来限制电流的话，它可能导致器件的损坏。反向击穿通常设置了固态器件的最大工作电压。然而，如果采取适当的预防措施来限制电流的话，反向击穿的结能作为一个非常稳定的参考电压。

图2 击穿示意图
在重扩散的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。
导致反向击穿的另一个机制是雪崩击穿Avalanche Multiplication
材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。这样通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下，使获得的能量增大。在晶体中运行的电子和空穴将不断的与晶体原子发生碰撞,通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来,产生自由电子-空穴对。新产生的载流子在电场作用下撞出其他价电子,又产生新的自由电子空穴对。如此连锁反应，使得阻挡层中的载流子的数量雪崩式地增加,流过PN结的电流就急剧增大，所以这种碰撞电离称为雪崩击穿，它是一种破坏性的电子现象，而齐纳击穿是暂时性可恢复的。
2) 齐纳二极管
一般二极管处于逆向偏压时，若电压超过PIV(逆向峰值电压)值时二极管将受到破坏，这是因为一般二极管在两端的电位差既高之下又要通过大量的电流，此时所产生的功率所衍生的热量足以使二极管烧毁。
齐纳二极管就是专门被设计在崩溃区操作，是一个具有良好的功率散逸装置，可以当做电压参考或定电压组件。若利用齐纳二极管作为电压调节器，将使附载电压保持在附近且几乎唯一定值，不受附载电流或电源上电压变动影响。
齐纳二极管的型号有2CW、2DW 等系列，它的电路符号如图3所示。

图3齐纳二极管符号
齐纳二极管主要工作于逆向偏压区，在二极管工作于逆向偏压区时，当电压未达崩溃电压以前，二极管上并不会有电流产生，但当逆向电压达到崩溃电压时，每一微小电压的增加就会产生相当大的电流，此时二极管两端的电压就会保持于一个变化量相当微小的电压值(几乎等于崩溃电压)，下图为齐纳二极管之电压电流曲线，可由此应证上述说明。

图4 齐纳二极管电流电压曲线
一般二极管之崩溃电压，在制作时可以随意加以控制，所以一般齐纳二极管之崩电压从数伏特至上百伏特都有。一般齐纳二极管在特性表或电路上除了标住 外，均会注明也就是齐纳二极管所能承受之做大功率，也可由换算出奇纳二极管可通过最大电流。
3. 主要参数说明
现以Si二极管为例，简要介绍一下齐纳二极管的主要电学参数。下图为齐纳管的伏安特性曲线

图5 齐纳二极管伏安特性曲线说明图
1) 稳定电压
在规定的稳压管反向工作电流下，所对应的反向工作电压。
2) 动态电阻
其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性曲线上求取的。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

3) 最大耗散功率
稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为

4) 最大稳定工作电流 和最小稳定工作电流
稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即

而对应，即反向特性曲线刚刚击穿处对应的 。若＜则不能稳压。
5) 稳定电压的温度系数
温度的变化将使改变，在稳压管中当＞7 V时，具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。
当＜4 V时，具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。
当4 V＜＜7 V时，正、负温度系数在某一点上互相抵消，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用，提供十分稳定的直流电压。
二. 仿真模拟及研究结果
本实验使用Silvaco软件对齐纳二极管进行仿真，对不同扩散温度、扩散时间等条件下齐纳二极管击穿特性曲线进行模拟。
1) 齐纳二极管的仿真
如下图所示，为time=30s,T=1000K时的仿真图像

图6 齐纳二极管的Silvaco仿真
2) 击穿特性的仿真
以下为不同扩散时间time、扩散温度T条件下，齐纳二极管的击穿特性曲线：
l time=30s一定，T不同时的仿真结果

图7 Time=30s,T=1000K

图8 Time=30s,T=950K

图9 Time=30s,T=1100K

图10 Time=30s,T=1200K

l T=1000K保持不变，改变不同的time得到的仿真结果

图11 Time=60s,T=1000K

图12 Time=120s,T=1000K

图13 Time=300s,T=1000K

三. 实验结果分析
1. 由以上击穿特性曲线图，可以看到：击穿时，曲线变化趋势很“陡”，电流升高而电压几乎不变，击穿电压即为稳定电压，验证了齐纳二极管的稳压特性，同时也说明了模拟程序的正确性。
2. 图8、9、10与图7相比较，可以看到在扩散时间一定时，扩散温度对齐纳管击穿特性的影响：
一定范围内（如实验中T=1000~1100K），随着温度的增加，半导体的晶格振动加强，载流子与晶格碰撞损失的能量也随之增加，从电场积累的能量的速率就会变慢，因此，要达到发生能碰撞电离的动能就需要更强的电场。故，齐纳二极管的稳定电压（即击穿电压）随温度升高而增大。但在T=950K和T=1200K时，显然齐纳二极管已不具有稳压能力或不完全具有稳压能力。
3. 图11、12、12与图7相比较，可以看出温度一定时，扩散时间对齐纳管击穿特性的影响：
扩散时间越长，得到的稳定电压就会越大，这是因为扩散时间的增加会导致PN结的结面积增大，曲率变小，更加接近平面结，使碰撞电离率有所下降，致使击穿电压升高。当然扩散时间的增加并不能是结面积增加太多，所以从图中对比可以看出，扩散时间对击穿特性一向不是特别大。
四. 参考资料
[1]刘恩科.半导体物理学（第七版）.电子工业出版社
[2]SILVACO‐ATLAS操作文档.中山大学微电子实验室
[3]Stephen A. Campbell.微电子制造科学原理与工程技术（第二版）.电子工业出版社，2004.2
[4]Michael Quirk.Julian Serda.半导体制造技术.电子工业出版社,2004.41-58

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