齐纳击穿和雪崩击穿是当施加较大的反向偏压时，二极管中的p-n结产生反向电流的过程。

齐纳击穿和雪崩击穿的背景

平衡态下的p-n结

p-n结由与n型半导体接触的p型半导体组成。当电子和空穴接触时，电子和空穴会从它们较集中的一侧扩散到它们较不集中的一侧。这种由浓度梯度引起的大多数载流子的流动称为扩散电流。

n侧的大部分载流子是电子，因此这些电子扩散到p侧，使n侧带正电。类似地，p侧的大部分载流子空穴扩散到n侧，使得p侧带负电荷。这些带电区域形成空间电荷区（或耗尽区）。

最后，带电区域产生电场，作为扩散电流的势垒。这个电场还扫过空间电荷区的少数载流子，即电子从p侧扫到n侧，空穴从n侧扫到p侧。这种少数载流子流称为漂移电流，其方向与扩散电流的方向相反。建立了一个平衡，漂移电流等于扩散电流，使得净电流流过结零。

Figure 1: The p-n junction in equilibrium; Top: The energy bands, Middle: Schematic, Below: Directi***

正向偏压下的p-n结

当在p–n结外部施加电压时，p–n结处于正向偏置状态，p侧连接到比n侧更正的电位。正向偏压的连接减小了扩散电流的势垒，也减小了空间电荷宽度。由于势垒减小，扩散电流大大增加。然而，漂移电流几乎保持不变。总的结果是净电流从p侧流向n侧。

随着二极管的正向电压进一步增加，电流呈指数增长。在非常高的正向电压下，正向电流饱和，加热效应可能导致二极管断开。

Figure 2: The p-n junction in forward bias 

反向偏压下的p-n结

The p–n junction is in reverse bias when voltage is applied across the junction, with the n side is connected to the more positive potential. Here, the potential barrier to the diffusion current and the space charge width are increased. Since the potential barrier is now large, the diffusion current drops. The drift current does not change significantly. The overall result is a **all net current flowing from n side to p side, which is called the reverse saturation current ( ). Increasing the reverse voltage across the junction further causes no change to the current until, at large reverse voltages, Zener and avalanche breakdown processes cause large reverse currents to flow.

Figure 3: The p-n junction under reverse bias

对于一个典型的二极管，这些影响总结在以下电流电压图中：

Figure 4: Current vs. voltage graph for an ideal diode

故障

二极管只允许相当大的电流流动时，他们连接在正向偏压。因此，它们可用于确保电路中的电流沿给定方向流动。例如，二极管可以用来把交流电转换成直流电。然而，如上所述，较大的反向电压可导致反向电流流动。这被称为击穿，可以发生“齐纳击穿”或“雪崩击穿”。下面概述了这两种分类的区别。

齐纳击穿

在齐纳击穿中，电子从p侧的价带“隧道”到n侧的导带。在经典物理学中，电子不应该以这种方式穿越。隧道效应实际上是一种量子力学现象，产生于具有波特性的电子。

空间电荷区越窄，电场越大，电子通过隧道的几率越高。通常，用于构建p–n结的材料掺杂严重时，会发生齐纳击穿。在这些结中，由于重掺杂，即使结处于反向偏压下，空间电荷区也很窄。

Figure 5: Zener Breakdown

雪崩击穿

在雪崩击穿中，空间电荷区中的电荷载流子从加速电场中获得大量动能，从而与晶格原子发生碰撞，将电子从晶格原子中剥离，形成电子-空穴对。这也被称为冲击电离。这些新分离的电子和空穴也被电场加速，给它们提供了大量的动能。同时，在碰撞过程中失去能量的原始载流子也被加速。因此，原来的电荷载体和最近分离的电荷载体现在都有能力引起碰撞电离。这个过程被称为“雪崩”击穿，因为随着每次碰撞，越来越多的载流子被提供给未来的冲击电离。

在能带方面，入射电荷载流子的动能必须大于传导能带和价带之间的能隙，才能发生碰撞电离。然后，一旦碰撞发生并形成电子-空穴对，这个电子和空穴基本上分别处于导带和价带中。

Figure 6: Avalanche Breakdown. The diagram only shows highly energetic holes creating electron-hole pairs. Electr*** would also accelerate in the meantime and create yet more electron-hole pairs through collisi*** with lattice atoms.

对于大多数二极管，雪崩击穿是主要的影响。对于一个给定的二极管，主导效应取决于用于构造结的材料以及掺杂水平。

齐纳(zener)和雪崩击穿(avalanche breakdown)的区别

• 齐纳击穿和雪崩击穿是二极管在承受高反向电压时开始传导大电流的过程。

• 当掺杂水平较高时，会发生齐纳击穿，并涉及电子从p侧价带到n侧导带的隧穿。

• 当被电场加速的电荷载流子获得足够的动能，当它们与晶格原子碰撞时，使晶格原子电离产生电子-离子对，就会发生雪崩击穿。这些对，反过来，导致进一步电离，导致“雪崩”效应。

工具书类

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