雪崩二極管的基礎(chǔ)知識解析

雪崩二極管是利用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中載流子的碰撞電離和渡越時間兩種物理效應(yīng)而產(chǎn)生負阻的固體微波器件。

PN結(jié)有單向?qū)щ娦?，正向電阻小，反向電阻很大?/p>

當(dāng)反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突然增加。就是反向電擊穿。它分雪崩擊穿和齊納擊穿（隧道擊穿）。

雪崩擊穿是PN結(jié)反向電壓增大到一數(shù)值時，載流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。

利用這個特性制作的二極管就是雪崩二極管

雪崩擊穿是在電場作用下，載流子能量增大，不斷與晶體原子相碰，使共價鍵中的電子激發(fā)形成自由電子-空穴對。新產(chǎn)生的載流子又通過碰撞產(chǎn)生自由電子-空穴對，這就是倍增效應(yīng)。1生2，2生4，像雪崩一樣增加載流子。

齊納擊穿完全不同，在高的反向電壓下，PN結(jié)中存在強電場，它能夠直接破壞共價鍵將束縛電子分離來形成電子-空穴對，形成大的反向電流。齊納擊穿需要的電場強度很大！只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)才做得到。（雜質(zhì)大電荷密度就大）

一般的二極管摻雜濃度沒這么高，它們的電擊穿都是雪崩擊穿。齊納擊穿大多出現(xiàn)在特殊的二極管中，就是穩(wěn)壓二極管

它是在外加電壓作用下可以產(chǎn)生高頻振蕩的晶體管。產(chǎn)生高頻振蕩的工作原理是：利用雪崩擊穿對晶體注入載流子，因載流子渡越晶片需要一定的時間，所以其電流滯后于電壓，出現(xiàn)延遲時間，若適當(dāng)?shù)乜刂贫稍綍r間，那么，在電流和電壓關(guān)系上就會出現(xiàn)負阻效應(yīng)，從而產(chǎn)生高頻振蕩。它常被應(yīng)用于微波領(lǐng)域的振蕩電路中。

工作原理

在材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中，當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中的電場隨著增強。這樣，通過空間電荷區(qū)的電子和空穴，就會在電場作用下獲得的能量增大，在晶體中運動的電子和空穴將不斷地與晶體原子又發(fā)生碰撞，當(dāng)電子和空穴的能量足夠大時，通過這樣的碰撞的可使共價鍵中的電子激發(fā)形成自由電子–空穴對。新產(chǎn)生的電子和空穴也向相反的方向運動，重新獲得能量，又可通過碰撞，再產(chǎn)生電子–空穴對，這就是載流子的倍增效應(yīng)。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，這樣，反向電流劇增， PN結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿。利用該特點可制作高反壓二極管。下圖是雪崩擊穿的示意圖。

雪崩二極管是一種負阻器件，特點是輸出功率大，但噪聲也很大。主要噪聲來自于雪崩噪聲，是由于雪崩倍增過程中產(chǎn)生電子和空穴和無規(guī)則性所引起的，其性質(zhì)和散彈噪聲類似。雪崩噪聲是雪崩二極管振蕩器的噪聲遠高于其它振蕩器的主要原因。

雪崩二極管如何幫助防止過電壓

當(dāng)IGBT在高性能應(yīng)用中高速接通和斷開時，總會發(fā)生過壓。例如，當(dāng)關(guān)閉負載電流電路時，集電極 - 發(fā)射極電壓突然上升，達到非常高的峰值。由開關(guān)引起的過電壓會嚴重損壞甚至破壞開關(guān)晶體管。

常見的過電壓保護方法是“有源鉗位（active clamping）”。在這種情況下，雪崩二極管用作直接反饋。如果關(guān)斷導(dǎo)致電感負載過壓峰值，則由雪崩二極管傳導(dǎo)至IGBT柵極，并且IGBT重新接通。

上圖顯示了基本原理：當(dāng)電壓上升時，二極管被阻斷（A）。在耗盡區(qū)中，一個自由電子觸發(fā)雪崩的瞬間，電壓突然下降到低于30V的擊穿電壓電平，雪崩二極管立刻擊穿（B）。在重新啟動之前，有時只能保持雪崩電流在短時間內(nèi)穩(wěn)定，并且電壓再次上升（C）。擊穿延遲（D）即兩次擊穿事件之間的時間，是不能預(yù)測的。

建議將具有改善噪聲性能的雪崩二極管用于有源鉗位過壓保護，因為它們能夠：

˙ 在快速上升的反向電壓下，更快擊穿

˙ 在低電流（低于~1mA）時具有更穩(wěn)定擊穿電壓，因此：

˙ 延長其它器件的壽命，例如 IGBT或Mosfet，結(jié)果：

˙ 為變頻器或電機控制器等應(yīng)用節(jié)省成本，因為組件較少需要更換。

雪崩二極管的噪聲是如何產(chǎn)生的？

雪崩二極管的噪聲來自雪崩的不斷接通和斷開，即電壓峰值的不斷產(chǎn)生及其突然擊穿（見圖）。觸發(fā)雪崩擊穿有兩個先決條件：

1. 存在足夠的擊穿電壓以產(chǎn)生用于碰撞電離的臨界電場強度。

2. 存在自由電子，因而形成漏電流。

例如，1.6pA = 1.6 x 10-12A漏電流等于通過阻擋層的電子流速為每秒107電子，這意味著在統(tǒng)計上每100ns只能觸發(fā)一次雪崩。然而，由于不是每個電子都會觸發(fā)雪崩，實際上觸發(fā)時間會更長。因此，觸發(fā)雪崩擊穿的概率與泄漏電流成比例。換句話說：漏電流越大，觸發(fā)雪崩擊穿的概率越高或擊穿延遲時間越短（圖中：D）。

在兩個沖擊漏電流電子之間，二極管處的反向電壓可以顯著上升到高于擊穿電壓電平。只有當(dāng)下一個沖擊電子觸發(fā)雪崩時，二極管的電壓才會突然下降到擊穿電壓水平。

如果電壓源提供足夠的電流，例如 1mA，雪崩擊穿可以通過連續(xù)的碰撞電離保持自身運行，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的雪崩電流。

但是，如果源電流太低，例如100μA，低于擊穿電壓電平的雪崩電壓突然下降，使得二極管放電，將導(dǎo)致雪崩擊穿立即再次停止。這時，需要一定的時間來使二極管和線電容充電，使低源電流達到所需的電壓電平，然后下一個電子才能觸發(fā)新的雪崩。這種雪崩的不斷接通和斷開導(dǎo)致雪崩二極管擊穿的典型噪聲。

二極管噪聲性能的差異在圖中也可見：圖中顯示了兩個Z二極管（齊納二極管）的擊穿電壓范圍，在100μA的反向電流（IR）下測得的擊穿電壓為30V。其中一個二極管基于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，使用極低的漏電流，另一個則采用“低噪聲技術(shù)”。具有“低噪聲技術(shù)”的齊納二極管具有更穩(wěn)健的電壓特性，優(yōu)于僅能在短時間內(nèi)保持恒定雪崩電流的另一個二極管（C）。

威世提供采用“低噪聲技術(shù)”的Z二極管，這些新一代產(chǎn)品包括SMF、BZD27、BZG 03、BZG04、 BZG05、PLZ 和 VTVS系列，由于適度增加漏電流（IR~10nA）而明顯增加了觸發(fā)雪崩擊穿的可能性，從而降低了噪聲，并為用戶提供了在低電流（低于~1mA）時更穩(wěn)定的擊穿電壓以及快速上升反向電壓的更快擊穿。

二極管噪聲的更進一步影響因素

漏電流隨溫度增加而呈指數(shù)上升，即噪聲隨溫度升高而降低；光還可以釋放二極管耗盡區(qū)中的自由電子，從而降低噪聲水平。這意味著：四周環(huán)境越暗越冷，噪音水平越高。

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