 一、半导体器件击穿原理 PN结I-V曲线如图[1]所示：PN结正向导通，反向截止；反向电压超过一定限值VBR，器件发生电击穿；正向导通时，电流超过一定限值（图示绿色区域之外），器件发生热烧毁。  图[1]：PN结I-V曲线 PN结的击穿原理分为：电击穿和热击穿（二次击穿）。 1）电击穿 电击穿：指强电场导致器件的击穿，过程通常是可逆的。当电压消失，器件电学特性恢复。电击穿又分为： a）雪崩倍增效应 雪崩倍增效应：（通常指电压>6V时发生，）原理如下：  图[2]：PN结反偏示意图 如图[2]所示：在PN结两端加反向电压，随着反向电压增加，PN结耗尽区反向电场增加，耗尽区中电子（或者空穴）从电场中获得的能量增加。当电子（或者空穴）与晶格发生碰撞时传递给晶格的能量高于禁带宽度能量（Eg），迫使被碰撞的价带电子跃迁到导带，从而产生一堆新的电子空穴对，该过程叫做碰撞电离；课本里把一个自由电子（或者空穴）在单位距离内通过碰撞电离产生的新的电子空穴对的数目称为电子（或者空穴）的碰撞电离率，表示为αin(or αip)。 当耗尽区电场增加到一定程度，碰撞电离激发出的新电子-空穴对，即“二次载流子”，又可能继续产生新的载流子，这个过程将不断进行下去，称为雪崩倍增。如果由于雪崩倍增效应导致流出PN结的电流趋于无穷大，则发生了所谓的雪崩击穿，该过程简单示意如图[3]所示。  图[3]：雪崩击穿示意图 发生雪崩击穿的条件是：  其物理意义是碰撞电离率在整个耗尽区积分趋于1。由于αi随电场的变化强相关（如图[4]所示），因此可以近似的认为当耗尽区最大电场EMAX达到某临界电场Ec时，即发生雪崩击穿。Ec与结的形式和掺杂浓度有一定关联，硅PN结典型值为Ec = 2×105 V/cm。  图[4]：电场的强相关函数图 为了更好地理解PN结电场强度Ec随耗尽区XD的关系，我们在这里简单讨论下泊松方程：在一维情况下（PN结/BJT）泊松方程的表达形式为：  等式右边第一项“q”为电荷量，介电常数“εs”为电通量密度与电场的映射关系，括号内表示自由离子的加和。从直观来看，该式反映电场（或者电通量密度，两者从某种角度上可以理解为反映着同一种东西）的源是电荷，如果是记公式：泊松方程表示的是，单位体积内对电通量密度（电位移）求散度，结果为体积内的电荷。除了从电磁学理论出发的分析，该式从数学上也可以看成是：电场与位置的函数关系。通过解泊松方程，便可以得到随着位置变化时，电场、电势的变化情况。 接下来我们通过举例来看击穿电压VB与哪些因素相关：图[5]所示为两种掺杂浓度材料的Ec VS Xd曲线关系（其中，N1>N2）。  图[5]不同掺杂浓度Ec VS Xd曲线关系 分析该图可知： 1. 禁带宽度Eg越大，则击穿电压VB越高；比如Si (Eg=1.12 eV) VS SiC (Eg=3.23 eV) 2. 掺杂浓度越低，VB越高； 3. 击穿电压主要取决于低掺杂一侧，该侧的杂质浓度越低，则VB越高。 除了上述方法可以提高击穿电压VB，还可以通过增加电场维度，改变电场强度分布（如图[6]、图[7]所示）：比如英飞凌的CoolMOSTM系列产品，通过在N-耗尽区掺入P柱结构（引入横向电场分布），大幅提高VB。 |
