【導(dǎo)讀】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(shí)間兩種物理效應(yīng)而產(chǎn)生負(fù)阻的固體微波器件。
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(shí)間兩種物理效應(yīng)而產(chǎn)生負(fù)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?/div>
當(dāng)反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí),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(shí),載流子倍增就像雪崩一樣,增加得多而快。
利用這個(gè)特性制作的二極管就是雪崩二極管
雪崩擊穿是在電場(chǎng)作用下,載流子能量增大,不斷與晶體原子相碰,使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的載流子又通過(guò)碰撞產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì),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(qiáng)電場(chǎng),它能夠直接破壞共價(jià)鍵將束縛電子分離來(lái)形成電子-空穴對(duì),形成大的反向電流。齊納擊穿需要的電場(chǎng)強(qiáng)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(méi)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(duì)晶體注入載流子,因載流子渡越晶片需要一定的時(shí)間,所以其電流滯后于電壓,出現(xiàn)延遲時(shí)間,若適當(dāng)?shù)乜刂贫稍綍r(shí)間,那么,在電流和電壓關(guān)系上就會(huì)出現(xiàn)負(fù)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(shí),空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)隨著增強(qiáng)。這樣,通過(guò)空間電荷區(qū)的電子和空穴,就會(huì)在電場(chǎng)作用下獲得的能量增大,在晶體中運(yùn)動(dòng)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(shí),通過(guò)這樣的碰撞的可使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子–空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子和空穴也向相反的方向運(yùn)動(dòng),重新獲得能量,又可通過(guò)碰撞,再產(chǎn)生電子–空穴對(duì),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(diǎn)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(fù)阻器件,特點(diǎn)是輸出功率大,但噪聲也很大。主要噪聲來(lái)自于雪崩噪聲,是由于雪崩倍增過(guò)程中產(chǎn)生電子和空穴和無(wú)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(yuǎn)高于其它振蕩器的主要原因。
雪崩二極管如何幫助防止過(guò)電壓
當(dāng)IGBT在高性能應(yīng)用中高速接通和斷開時(shí),總會(huì)發(fā)生過(guò)壓。例如,當(dāng)關(guān)閉負(fù)載電流電路時(shí),集電極 - 發(fā)射極電壓突然上升,達(dá)到非常高的峰值。由開關(guān)引起的過(guò)電壓會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞甚至破壞開關(guān)晶體管。
常見(jiàn)的過(guò)電壓保護(hù)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(fù)載過(guò)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(shí),二極管被阻斷(A)。在耗盡區(qū)中,一個(gè)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(dòng)之前,有時(shí)只能保持雪崩電流在短時(shí)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(shí)間,是不能預(yù)測(cè)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(guò)壓保護(hù),因?yàn)樗鼈兡軌颍?/div>
˙ 在快速上升的反向電壓下,更快擊穿
˙ 在低電流(低于~1mA)時(shí)具有更穩(wěn)定擊穿電壓,因此:
˙ 延長(zhǎng)其它器件的壽命,例如 IGBT或Mosfet,結(jié)果:
˙ 為變頻器或電機(jī)控制器等應(yīng)用節(jié)省成本,因?yàn)榻M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(lái)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(jiàn)圖)。觸發(fā)雪崩擊穿有兩個(gè)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(chǎng)強(qiáng)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(guò)阻擋層的電子流速為每秒107電子,這意味著在統(tǒng)計(jì)上每100ns只能觸發(fā)一次雪崩。然而,由于不是每個(gè)電子都會(huì)觸發(fā)雪崩,實(shí)際上觸發(fā)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。因此,觸發(fā)雪崩擊穿的概率與泄漏電流成比例。換句話說(shuō):漏電流越大,觸發(fā)雪崩擊穿的概率越高或擊穿延遲時(shí)間越短(圖中:D)。
在兩個(gè)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(gè)沖擊電子觸發(fā)雪崩時(shí),二極管的電壓才會(huì)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(guò)連續(xù)的碰撞電離保持自身運(yùn)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(shí),需要一定的時(shí)間來(lái)使二極管和線電容充電,使低源電流達(dá)到所需的電壓電平,然后下一個(gè)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(jiàn):圖中顯示了兩個(gè)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(cè)得的擊穿電壓為30V。其中一個(gè)二極管基于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù),使用極低的漏電流,另一個(gè)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(shí)間內(nèi)保持恒定雪崩電流的另一個(gè)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(shí)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(jìn)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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