齊納崩潰與累增崩潰的差異:機制、雜質濃度、崩潰電壓、溫度係數比較

兩者都是對 PN 接面施加大逆向電壓時電流急遽增加的崩潰現象,但機制不同。齊納崩潰發生在雜質濃度高、空乏區非常薄的接面,價帶的電子以穿隧效應穿過而進入導帶。累增崩潰(雪崩崩潰)則是被強電場加速的載子以碰撞游離產生電子電洞對,並連鎖性地增加而發生。在矽中,崩潰電壓約 5 V 以下時以齊納崩潰為主,約 6 至 7 V 以上時以累增崩潰為主,兩者溫度係數的正負相反。

項目齊納崩潰累增崩潰
機制穿隧效應。價帶的電子穿過薄能障移到導帶碰撞游離。被電場加速的載子產生新的電子電洞對,並連鎖性地增加
接面的雜質濃度兩側都非常高至少一側較低。越低崩潰電壓越高
空乏區寬度非常薄(約 10 nm 以下)寬。需要加速載子的距離
發生崩潰的電場(矽,參考值)約 10⁶ V/cm 的非常強電場約 3×10⁵ V/cm 上下(隨雜質濃度而變)
崩潰電壓(矽,參考值)約 5 V 以下。約 5 V 至約 6 至 7 V 之間兩者混合發生約 6 至 7 V 以上。數百至數千 V 的高耐壓接面也由此崩潰決定
崩潰電壓的溫度係數負。溫度上升時能隙縮小,崩潰電壓下降正。溫度上升時晶格振動造成的散射增加,崩潰電壓上升
崩潰的上升特性較為平緩陡峭
雜訊較小伴隨累增倍增的雜訊大
主要用途約 5 V 以下的定電壓二極體、低電壓的參考電壓或箝位約 6 V 以上的定電壓二極體、突波吸收用二極體、累增光二極體、SPAD

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

齊納崩潰
想在約 5 V 以下的低電壓穩定電壓時。用於低電壓的定電壓二極體,以及抑制輸入電壓的箝位電路等。
累增崩潰
約 6 V 以上的定電壓,或保護電路免受突波影響時。將光倍增後進行偵測的累增光二極體與 SPAD 會積極利用此崩潰。在功率元件中,則作為決定耐壓的現象來設計。
搭配使用
在崩潰電壓約 5 至 6 V 的定電壓二極體中,負溫度係數的齊納崩潰與正溫度係數的累增崩潰互相抵消,電壓隨溫度的變化變小。需要對溫度穩定的參考電壓時,會選擇此範圍的產品或溫度補償型。

常見問題

齊納二極體都是利用齊納崩潰嗎?

不是。定電壓二極體習慣上稱為齊納二極體,但在矽中約 6 至 7 V 以上的產品主要利用累增崩潰。以穿隧效應造成的齊納崩潰為主的,是約 5 V 以下的低電壓產品。

為什麼溫度係數的正負會相反?

在齊納崩潰中,溫度上升時能隙縮小,穿隧效應更容易發生,因此崩潰電壓下降。在累增崩潰中,溫度上升時晶格振動造成的散射增加,載子較難被加速到碰撞游離所需的能量,因此崩潰電壓上升。

崩潰的二極體會損壞嗎?

兩種崩潰本身都不會使接面損壞,只要限制電流就能恢復。損壞發生在崩潰期間的電流與電壓所造成的發熱過大時。在定電壓電路中,會將電阻與二極體串聯以限制電流。

在功率元件中如何處理累增崩潰?

功率 MOSFET 與二極體的耐壓,主要由發生累增崩潰的電壓決定。降低漂移層的雜質濃度並加厚可以提高耐壓,但導通電阻也會增加。在切斷電感性負載時等情況下可能進入崩潰區,此時能承受的能量規定為累增耐量。

理解度檢測

稽納二極體(定電壓二極體)主要利用的是下列哪種現象?

  1. A順向的擴散電流
  2. B逆向偏壓下的崩潰現象
  3. C因吸收光而產生的電動勢
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正確答案:B. 逆向偏壓下的崩潰現象

稽納二極體利用的特性是:當逆向電壓達到崩潰電壓時電流會急遽增加,即使電流改變,電壓仍大致保持一定。崩潰電壓由雜質濃度決定,市售產品涵蓋約2~200 V。約5 V以下主要是由穿隧效應造成的稽納崩潰,更高者則主要是突崩崩潰。可用於產生參考電壓、過電壓保護等。因光產生的電動勢則是太陽能電池與光二極體的現象。

關於突崩崩潰的機制,下列何者正確?

  1. A在高電場下被加速的載子撞擊晶格,產生新的電子電洞對,並連鎖性地增加
  2. B電子以量子力學方式穿過薄的障壁
  3. C因溫度上升而使接面熔化
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正確答案:A. 在高電場下被加速的載子撞擊晶格,產生新的電子電洞對,並連鎖性地增加

在突崩崩潰中,被空乏區的強電場加速的載子撞擊原子而產生電子電洞對(衝擊游離),這些載子又被加速而反覆撞擊,使電流急遽增加。矽的臨界電場約為3×10⁵ V/cm,雜質濃度越低、空乏區越寬的接面,在越高的電壓下才會發生。SiC的臨界電場約高10倍,因此能以較薄的漂移層實現相同的耐壓,成為低損耗的功率元件。

在雜質濃度非常高的PN接面中,於低逆向電壓下發生的崩潰,其主要機制為下列何者?

  1. A突崩崩潰
  2. B由量子力學穿隧效應造成的稽納崩潰
  3. C因熱造成的接面熔化
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正確答案:B. 由量子力學穿隧效應造成的稽納崩潰

在兩側皆為高濃度的接面中,空乏區非常薄,約在10 nm以下,在強電場下價電帶的電子藉由穿隧效應穿過障壁而移至導電帶。這就是稽納崩潰,大致在5 V以下的低崩潰電壓發生,溫度上升時崩潰電壓會下降(因為能隙縮小)。較高的崩潰電壓則以突崩崩潰為主,其溫度係數相反為正。

  1. 突崩崩潰的崩潰電壓,在溫度上升時一般會如何變化?
  2. 稽納電壓約5~6 V的稽納二極體,其電壓隨溫度的變化很小。關於其原因,下列何者正確?
  3. 將單側的雜質濃度降低的PN接面,其崩潰電壓一般會如何?

前往PN接面與二極體的練習題

相關名詞的解說

稽納二極體
利用逆向崩潰電壓幾乎維持固定的特性來獲得定電壓的二極體。
累增崩潰
在逆向強電場中被加速的載子撞擊原子而產生新的載子,這些載子連鎖增加而使大電流流動的現象。
空乏層
PN 接面邊界附近幾乎不存在載子的區域。施加逆向偏壓時會變寬。
SPAD(單光子累增二極體)
在超過崩潰電壓的逆向偏壓下動作,即使只有 1 個光子也會藉由累增倍增而輸出大脈衝的受光元件。用於 LiDAR 等距離測量。

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