关于半导体中的雪崩倍增效应介绍

[拼音]：bandaoti zhong de xuebengbeizeng xiaoying

[外文]：avalanche multiplication effect in semiconductors

在强电场下，半导体中的载流子会被电场加热（见半导体中的热载流子），部分载流子可以获得足够高的能量，这些载流子有可能通过碰撞把能量传递给价带上的电子，使之发生电离，从而产生电子-空穴对，这种过程称为碰撞电离。所产生的电子空穴对，在电场中向相反方向运动，又被电场加热并产生新的电子空穴对。依此方式可以使载流子大量增殖，如图1所示。这种现象称为雪崩倍增效应。

通常用电离率来描述碰撞电离效应的强弱。它定义为一个载流子通过单位距离平均所产生的电子空穴对的数目。电离率强烈依赖于电场，也是温度的函数（由于温度升高，点阵散射增强，倾向于阻碍对载流子的加热，通常电离率随温度的升高而下降）。电子和空穴一般具有不同的电离率。图2给出了室温下由实验测量得到的几种半导体中电子电离率αn和空穴电离率αp随电场强度的变化。电离率通常可用下列经验公式表示

α＝A，

式中ε为电场强度，A、b和m为常数。

半导体中的雪崩效应是引起PN结击穿的一种机制。加反向偏压的PN结，其空间电荷区内有很强的电场。在反向偏压足够高，空间电荷区内电场足够强时，热生载流子在通过强电场区时会产生雪崩倍增效应。于是反向电流会随反向电压迅速增加，这种现象称为雪崩击穿。对于硅、锗的PN结，当击穿电压大于6Eg/q时（Eg是禁带宽度，q是电子电荷），击穿由雪崩效应引起，而当击穿电压小于4Eg/q时，击穿由另一种效应，即隧道效应所引起。

在雪崩机制中，电流的倍增不仅决定于电离率的大小（或与之相联系的电场强度），而且决定于能有效产生碰撞电离的空间电荷区的宽度。雪崩击穿电压通常随温度的上升而增加。

当PN结发生雪崩击穿时，通常伴随着发光现象，所发射光子的能量可以显著地超过禁带能量。

如果在金属－绝缘体－半导体系统的栅上施加高的脉冲电压（例如对由P型半导体所构成的MIS结构施加正栅压）也会在半导体表面产生雪崩效应。这时半导体表面层呈深耗尽状态。在表面电场足够高时，在耗尽层中流动的热生载流子会产生雪崩倍增效应。

对于包含PN结的半导体器件，一般说来，雪崩倍增效应是个限制性因素。但也可以利用此效应来制作某些器件，如碰撞雪崩渡越二极管及雪崩注入MOS非易失性存储元件。