基本介紹
- 中文名：正向擊穿
- 外文名：forwardbreakdown
- 套用學科：電力（一級學科）
- 描述對象：一種工作狀態
- 描述對象：場效應電晶體和雙極型功率電晶體
簡介,產生原因,分類,電擊穿,熱擊穿,影響因素,溫度,平面工藝,界面電荷,
簡介
一般情況下，正向電壓1V左右就可以“擊穿”二極體，此時稱為正向擊穿，不過我們稱之為不導通。工作於正向偏置的PN結，當通過的電流過大時，將會使它的功率損耗過大而燒壞，但由於正向偏置的PN結兩端電壓很低(鍺PN結約為0.2V左右，矽PN結約為0.7V左右)，故當加在PN結兩端的正向電壓過大時會使PN結髮生擊穿，稱為正向擊穿。而工作於反向偏置的PN結，當反偏電壓過高時，將會使PN結擊穿，如擊穿後又未限制流過它的反向擊穿電流，將會使擊穿成為永久性的、不可逆的擊穿，從而造成其徹底損壞。
產生原因
當柵極-發射極並接零點位、集電極接正電位時，處於截止狀態。由於結兩邊的摻雜在外延層一邊是均勻的，而在p阱的一邊為離子注入形成的高斯分布，而且摻雜濃度比外延層高，所以，據PN結理論，隨著集電極-發射極電壓的增大，結耗盡區（空間電荷區）主要向外延層一邊擴展。結空間電荷區擴展的結果將是相鄰p阱的空間電荷區相連，這時，承受了幾乎全部的集電極-發射極電壓。
反之，如果，集電極接零電位，柵極-發射極短路接高電位，器件是不導通的，此狀態稱為反向截止狀態，一般，在直流或電壓源逆變器套用中，並不需要反向阻斷特性，這使得人們在實際中著重對器件正向擊穿電壓的設計和最佳化。
工作於放大狀態的三極體，其發射結是正向偏置的，集電結是反向偏置的，管子有電流放大作用。當輸人信號過大或偏置過大，使得流過發射結的正向電流過大，結上功率損耗過多面將發射結燒壞。輸人信號偏大或偏置偏高，雖尚未造成發射結燒壞，但經管子的電流放大作用，使得流過集電結的集電極電流過大，集電結功率損耗過多面將集電結燒壞。
分類
電介質有絕緣和存儲電荷的特性，在一定的電壓範圍內，即在相對弱電場範圍內，介質保持介電狀態。當電場強度超過某一臨界值時，介質由介電狀態變為導電狀態，這種現象叫做介質的擊穿。介質的擊穿決定了電介質保持絕緣性質的極限，並且在許多情況下己成為決定電氣、電子設備的最終壽命的重要因素，因此，研究電介質的擊穿現象及其規律，具有很重要的實際意義。
—般的介質擊穿分為電擊穿和熱擊穿兩種。由陶瓷內部氣孔引起的內電離，由電化學效應引起的介質老化，以及由強電場作用下的應力和電致應變、壓電效應和電致相交等引起的變形和開裂，最終導致電擊穿或熱擊穿。
電擊穿
電擊穿是指在電場直接作用下，介質中載流子迅速增殖造成的擊穿。這個過程約在10一7s完成，往往擊穿突然發生，擊穿電場強度較高。一般認為，電擊穿的發生是因為晶體能帶在強電場作用下發生變化，電子直接由滿帶躍遷到空帶發生電離所致。
熱擊穿
熱擊穿是指陶瓷介質在電場作用下發生熱不穩定，因溫度升高而導致的破壞。熱不穩定是指在電場作用下，由於介質的電導和非位移極化等原因造成的介質損耗隨溫度的升高而增大，又導致陶瓷介質的溫度的再升高，產生的熱量大於散失的熱量導致陶瓷介質發生熱擊穿。由於熱擊穿有—個熱量積累過程，所以不像電擊穿那樣迅速，往往使陶瓷介質的溫度急劇升高，但擊穿電場強度較低。瓷料的擊穿電壓與試樣的厚度；電極的大小、形狀、結構；試驗時的溫度、濕度；電壓的種類、加壓時間；試樣周圍的環境等許多因素有關。
影響因素
溫度
隨著器件工作溫度的上升，擊穿電壓逐漸升高。溫度由300K上升到350K時，器件的臨界擊穿電壓K增加了將近200V；溫度升高到450K時，器件的臨界擊穿電壓圪增加了將近400V。對這種增加關係所做的一種簡單的微觀解釋為：強場下通過耗盡層的熱載流子在走過每個電子．聲子平均自由程入後，有部分能量損失給了光學聲子。入值隨溫度的增加而減少，因此，在恆定電場下沿給定距離行進的載流子有更多的能量損失給晶格，從而載流子在能夠獲得足夠的能量產生一個電子、空穴對之前，必須通過較大的電勢差。較大的電勢差，說明需要較高的電壓，因此擊穿電壓會隨溫度升高而增加。
平面工藝
平面工藝是製造各種半導體器件與積體電路的基本工藝技術。彎曲的部分使得形成了柱面結和球面結結構，而這兩種結結構的曲率半徑都很小(特別是淺結結構時)，對於高壓大功率器件，加上偏壓時，該處的電場集中嚴重，使得該區域的擊穿電壓低於器件體內擊穿電壓。在結終端彎曲處的電場線密集，電場強度比其它區域要高出很多。場強越高，碰撞電離就越容易發生，擊穿也就越容易發生。
界面電荷
界面態指的是半導體和氧化物界面上的表面態。界面電荷能夠引起耗盡區收縮，加劇了主結邊緣區域的電場集中。
