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半導體中的雪崩倍增效應

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1 半導體中的雪崩倍增效應 -半導體中的雪崩倍增效應

 

2 半導體中的雪崩倍增效應 -正文

  在強電場下,半導體中的載流子會被電場加熱(見半導體中的熱載流子),部分載流子可以獲得足夠高的能量,這些載流子有可能通過碰撞把能量傳遞給價帶上的電子,使之發生電離,從而產生電子-空穴對,這種過程稱為碰撞電離。所產生的電子空穴對,在電場中向相反方向運動,又被電場加熱併產生新的電子空穴對。依此方式可以使載流子大量增殖,如圖1所示。這種現象稱為雪崩倍增效應。

半導體中的雪崩倍增效應半導體中的雪崩倍增效應
 
半導體中的雪崩倍增效應半導體中的雪崩倍增效應

  通常用電離率來描述碰撞電離效應的強弱。它定義為一個載流子通過單位距離平均所產生的電子空穴對的數目。電離率強烈依賴於電場,也是溫度的函數(由於溫度升高,點陣散射增強,傾向於阻礙對載流子的加熱,通常電離率隨溫度的升高而下降)。電子和空穴一般具有不同的電離率。圖2給出了室溫下由實驗測量得到的幾種半導體中電子電離率αn和空穴電離率αp隨電場強度的變化。電離率通常可用下列經驗公式表示

αA半導體中的雪崩倍增效應,

式中ε為電場強度,Abm為常數。
  半導體中的雪崩效應是引起pn結擊穿的一種機制。加反向偏壓的PN結,其空間電荷區內有很強的電場。在反向偏壓足夠高,空間電荷區內電場足夠強時,熱生載流子在通過強電場區時會產生雪崩倍增效應。於是反向電流會隨反向電壓迅速增加,這種現象稱為雪崩擊穿。對於硅、鍺的PN結,當擊穿電壓大於6Eg/q時(Eg是禁帶寬度,q是電子電荷),擊穿由雪崩效應引起,而當擊穿電壓小於4Eg/q時,擊穿由另一種效應,即隧道效應所引起。
  在雪崩機制中,電流的倍增不僅決定於電離率的大小(或與之相聯繫的電場強度),而且決定於能有效產生碰撞電離的空間電荷區的寬度。雪崩擊穿電壓通常隨溫度的上升而增加。
  當PN結髮生雪崩擊穿時,通常伴隨著發光現象,所發射光子的能量可以顯著地超過禁帶能量。
  如果在金屬-絕緣體-半導體系統的柵上施加高的脈衝電壓(例如對由P型半導體所構成的MIS結構施加正柵壓)也會在半導體表面產生雪崩效應。這時半導體表面層呈深耗盡狀態。在表面電場足夠高時,在耗盡層中流動的熱生載流子會產生雪崩倍增效應。
  對於包含PN結的半導體器件,一般說來,雪崩倍增效應是個限制性因素。但也可以利用此效應來製作某些器件,如碰撞雪崩渡越二極體及雪崩注入MOS非易失性存儲元件。

 

3 半導體中的雪崩倍增效應 -配圖

 

4 半導體中的雪崩倍增效應 -相關連接

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