半導體中的雪崩倍增效應

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，又被電場加熱並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

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，也是溫度的函式（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

α＝A,

式中ε為電場強度，A、b和m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。對於矽、鍺的PN結,當擊穿電壓大於6Eg/q時（Eg是禁頻寬度，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。

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