簡述pn結的三種擊穿機理

PN結是半導體器件中最常見的結構之一，它由P型半導體和N型半導體材料組成。在正向偏壓下，PN結會工作在正常的導電狀態，而在反向偏壓下，PN結則會發生擊穿現象，這是PN結的一個重要特性并且它也是半導體器件運行的一種重要機制。

擊穿是指當反向電壓增大時，電子會發生足夠的碰撞從而突破PN結，使電流迅速增加。PN結的擊穿過程其實是由電場擊穿、載流子增加擊穿以及隧穿擊穿三種機制組成的，這篇文章將會分別詳述這三種機制。

一、電場擊穿

PN結在反向偏置時，會形成反向電場，該電場使電子在PN結的內部受到加速，當電子能量超過擊穿電壓時，它們就會與原子發生碰撞而被加速，再次發生碰撞，結果形成了一系列的電子與空穴，從而形成電流。這種機制被稱為電場擊穿。

電場擊穿的特點是其電壓和電流間的比例關系并不是線性的，而是一個非常陡峭的曲線。在曲線上某一個點上，電流將會呈指數增長，這表明電子的足夠動能已經能夠在還未遇到屏蔽作用的情況下順利穿過屏障區。電場擊穿是PN結的常見機制之一，常用于高電壓交流電壓源的電路設計。

二、載流子增加擊穿

PN結另外一種擊穿機制是載流子增加擊穿。在PN結的正常區域，存在大量少數載流子（電子和空穴），而在PN結的結區，兩種載流子的數量非常小。當PN結受到反向偏置時，外部電場加劇了兩個副本間電流的輸運，使得原先被分離的少數載流子被拉到結區域并進行吸收，導致少數載流子的數量不斷增加，最終使得PN結的擊穿電壓下降。

載流子增加擊穿的特點是最終形成了一個聯鎖放電形式，其電流隨著高電流密度的增加而呈現指數增長。除此之外，載流子增加擊穿也會導致大量的能量浪費和熱量損失，使得整個半導體器件的負載能力下降。因此，在實際應用中，比較少使用這種擊穿機制。

三、隧穿擊穿

隧穿擊穿機制是指當PN結的結區厚度小到足夠小的程度時，在反向電場的作用下，載流子以隧穿的方式跨過隘口，形成電流。在PN結材料的摻雜濃度逐漸增多、結區域寬度逐漸減少的情況下，隧穿擊穿將會越來越容易發生。

隧穿擊穿的特點是它相對于其它的擊穿機制，這種機制的擊穿電壓更低，并且電流迅速爆發。由于其電流密度的增長率非常快，隧穿擊穿是最常用的擊穿機制之一，非常適合使用于高速小信號的半導體器件中。

總結：

在PN結中，有三種主要的擊穿機制：電場擊穿、載流子增加擊穿以及隧穿擊穿。這三種擊穿機制對其它PN結的特性也有一定的影響。例如，當材料摻雜級別變化的時候，不同擊穿機制會隨之而變化。隧穿擊穿對于摻雜濃度很低的材料是不起作用的，只有當電子足夠能夠通過結區的時候才能起作用。

在半導體器件的設計與制造中，了解PN結的擊穿機制非常重要。它不僅能夠幫助我們索取合適的反向偏置電壓，進而保護半導體器件免受擊穿的損害，還能夠為我們提供更好的設計參考，使得半導體器件能夠更好地發揮其特殊的性能和功能。