模电基础：一文彻底搞懂二极管击穿和结电容

模电基础：二极管击穿和结电容：

知识准备：

• 二极管伏安特性曲线：

关于参杂浓度对耗尽层宽窄与耗尽层中的电荷密度影响：

• 熵增定律：

物理学中有一个定理叫做熵增定理，这个定理也可以理解为物质总是向趋于混乱的程度发展的，由整齐向混乱发展，那么问题又来了，何为整齐，何为混乱？对于整齐，可以理解为局部较强，比如班里的学生上课都的集中在一个教室，这就叫局部性强，下课铃响了，同学们都散了，有得去餐厅，有的去图书馆，有得去操场，这就叫局部性弱，即所谓的混乱（相对上课而言）.再举个例子，在一个系统中，温度总是向趋于恒温的方向发展的，温度相对高的局部会向温度相对低的局部传递热量来趋向恒温的趋势，来削弱系统电局部性.和温度一样，浓度也是向趋于恒浓度的方向发展的.所以熵增定律的另外一个描述：物质总是有弱化局部性的趋势

• 由熵增定律的浓度描述来解释一下有关pn结参杂浓度的问题：

为了削弱局部性，对于p区和n区，如果参杂浓度较高（即多子浓度较高），那么为了削弱局部性，可以有两种途径，第一，增大体积来减小浓度，这对应着p区和n区的体积较大，而总体积一定，所以耗尽层的体积相对较少；第二，扩散运动较强，更多的多子通过扩散运动在耗尽层形成更多的空间电荷，对应空间电荷的浓度更高.
由此可见，参杂浓度高不仅仅导致耗尽层变窄，还会导致耗尽层中的电荷浓度也变高

有了pn接参杂浓度相关的知识储备，接下来来解释二极管击穿的相关问题就会轻松很多了

二极管击穿：

• 雪崩击穿：

随着反向电压增大，耗尽层中会越来越宽，耗尽层中的载流子（主要是少子，内建电场越来越强，对多子电阻碍作用越来越大，对少子的促进作用越来越大）会撞击中性原子产生新的电子和空穴，新的电子和空穴继续在内建电场的作用下撞击，引发连锁反应，使得载流子浓度急剧增大，进而使pn结电流急剧增大，称之为雪崩击穿

• 齐纳击穿：

随着反向电压增大，耗尽层中会越来越宽，内建电场变得很强，在电场力的作用下直接把耗尽层中的中性原子共价键破坏，产生电子和空穴，使得载流子浓度急剧增大，进而使pn结电流急剧增大，称之为齐纳击穿

• 雪崩击穿与齐纳击穿的区别与联系：

联系：都是击穿(哈哈！)
区别：产生条件不同：通过产生的原因，可以分析出：由于雪崩击穿需要碰撞产生连锁反应，因此只有参杂浓度较低，也就是耗尽层较宽才有更大概率发生碰撞；而齐纳击穿需要更强的电场才会发生，着需要空间电荷区（即耗尽层）的电荷浓度更高，来产生更强的内建电厂，所以要求参杂浓度较高.但是实际上两种击穿一般都是同时发生的，只不过在参杂浓度较高的时候，大部分是齐纳击穿，在参杂浓度较低的时候，大部分是雪崩击穿

结电容：

二极管的结电容分为势垒电容和扩散电容，下面将分别介绍他们：

• 势垒电容：

在pn结反偏时，耗尽层变宽，增大反偏电压，耗尽层变得更宽，减小反偏电压，耗尽层相对变窄.耗尽层中主要是不能移动的电荷，所以变窄变宽的过程可以等效为电容等放电和充电过程，将这个等效电容称之为势垒电容.由此可见，势垒电容是由于空间电荷区的宽窄变化产生的，而正偏的时候空间电荷区很窄，势垒电容很小，可以近似忽略，这也是为什么势垒电容主要产生在pn结反偏低时候的原因

• 扩散电容：

扩散电容：一看名字就知道，扩散电容是由于扩散运动产生的，pn结正偏主要发生的是扩散运动.在pn结正偏的时候，非平衡少子的扩散运动经过耗尽层之后，会在在p区和n区形成从耗尽层交界面向远离交界面的区域递减的浓度梯度这个非平衡少子的浓度梯度随外加正偏电压的变化而变化，压增大，浓度梯度也增大扩散区浓度梯度的变化等效为电容充放电的过程（电容效应）称这样的电容效应为扩散电容

• 势垒电容与扩散电容区别与联系：

联系：两者都具有电容效应
区别：势垒电容是由于空间电荷区的宽窄变化来产生的，而正偏的时候空间电荷区很窄，势垒电容很小，近似可以忽略，即势垒电容主要产生在pn结反偏时期；扩散电容是靠非平衡少子的扩散运动形成的浓度梯度产生的，反偏时主要是平衡少子在运动，耗尽层的宽度很宽，内建电场限制着非平衡少子的扩散运动，基本可以忽略，因此扩散运动主要产生在pn接正篇时期