齊納擊穿和雪崩擊穿是當施加較大的反向偏壓時，二極體中的p-n結產生反向電流的過程。

齊納擊穿和雪崩擊穿的背景

平衡態下的p-n結

p-n結由與n型半導體接觸的p型半導體組成。當電子和空穴接觸時，電子和空穴會從它們較集中的一側擴散到它們較不集中的一側。這種由濃度梯度引起的大多數載流子的流動稱為擴散電流。

n側的大部分載流子是電子，因此這些電子擴散到p側，使n側帶正電。類似地，p側的大部分載流子空穴擴散到n側，使得p側帶負電荷。這些帶電區域形成空間電荷區（或耗盡區）。

最後，帶電區域產生電場，作為擴散電流的勢壘。這個電場還掃過空間電荷區的少數載流子，即電子從p側掃到n側，空穴從n側掃到p側。這種少數載流子流稱為漂移電流，其方向與擴散電流的方向相反。建立了一個平衡，漂移電流等於擴散電流，使得凈電流流過結零。

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

正向偏壓下的p-n結

當在p–n結外部施加電壓時，p–n結處於正向偏置狀態，p側連線到比n側更正的電位。正向偏壓的連線減小了擴散電流的勢壘，也減小了空間電荷寬度。由於勢壘減小，擴散電流大大增加。然而，漂移電流幾乎保持不變。總的結果是凈電流從p側流向n側。

隨著二極體的正向電壓進一步增加，電流呈指數增長。在非常高的正向電壓下，正向電流飽和，加熱效應可能導致二極體斷開。

Figure 2: The p-n junction in forward bias 

反向偏壓下的p-n結

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

對於一個典型的二極體，這些影響總結在以下電流電壓圖中：

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

故障

二極體只允許相當大的電流流動時，他們連線在正向偏壓。因此，它們可用於確保電路中的電流沿給定方向流動。例如，二極體可以用來把交流電轉換成直流電。然而，如上所述，較大的反向電壓可導致反向電流流動。這被稱為擊穿，可以發生“齊納擊穿”或“雪崩擊穿”。下麵概述了這兩種分類的區別。

齊納擊穿

在齊納擊穿中，電子從p側的價帶“隧道”到n側的導帶。在經典物理學中，電子不應該以這種方式穿越。隧道效應實際上是一種量子力學現象，產生於具有波特性的電子。

空間電荷區越窄，電場越大，電子透過隧道的幾率越高。通常，用於構建p–n結的材料摻雜嚴重時，會發生齊納擊穿。在這些結中，由於重摻雜，即使結處於反向偏壓下，空間電荷區也很窄。

Figure 5: Zener Breakdown

雪崩擊穿

在雪崩擊穿中，空間電荷區中的電荷載流子從加速電場中獲得大量動能，從而與晶格原子發生碰撞，將電子從晶格原子中剝離，形成電子-空穴對。這也被稱為衝擊電離。這些新分離的電子和空穴也被電場加速，給它們提供了大量的動能。同時，在碰撞過程中失去能量的原始載流子也被加速。因此，原來的電荷載體和最近分離的電荷載體現在都有能力引起碰撞電離。這個過程被稱為“雪崩”擊穿，因為隨著每次碰撞，越來越多的載流子被提供給未來的衝擊電離。

在能帶方面，入射電荷載流子的動能必須大於傳導能帶和價帶之間的能隙，才能發生碰撞電離。然後，一旦碰撞發生並形成電子-空穴對，這個電子和空穴基本上分別處於導帶和價帶中。

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.

對於大多數二極體，雪崩擊穿是主要的影響。對於一個給定的二極體，主導效應取決於用於構造結的材料以及摻雜水平。

齊納(zener)和雪崩擊穿(avalanche breakdown)的區別

• 齊納擊穿和雪崩擊穿是二極體在承受高反向電壓時開始傳導大電流的過程。

• 當摻雜水平較高時，會發生齊納擊穿，並涉及電子從p側價帶到n側導帶的隧穿。

• 當被電場加速的電荷載流子獲得足夠的動能，當它們與晶格原子碰撞時，使晶格原子電離產生電子-離子對，就會發生雪崩擊穿。這些對，反過來，導致進一步電離，導致“雪崩”效應。

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