中心議題：
- TVS器件為正向和反向電壓不超過(guò)額定范圍提供保護(hù)
- 介紹基本二極管的性質(zhì)
解決方案：
- 多個(gè)二極管以確保多路信號(hào)線受同一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器的保護(hù)
- 通過(guò)二極管的電流很小，它的導(dǎo)通電壓的范圍會(huì)比較大
- 摻雜濃度高的PN結(jié)，其雪崩擊穿的觸發(fā)電壓更低
基于雪崩二極管和穩(wěn)壓二極管的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)專為傳輸更大的負(fù)載電流和承受更高的擊穿電壓而優(yōu)化。瞬態(tài)電壓抑制器設(shè)計(jì)了多個(gè)二極管以確保多路信號(hào)線受同一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器的保護(hù)。二極管是由半導(dǎo)體硅組成的，即P型摻雜的硅和N型摻雜的硅形成的PN結(jié)。TVS器件為正向和反向電壓不超過(guò)額定范圍提供保護(hù)。基本二極管的性質(zhì)將在下面討論
圖1 突變PN節(jié)示意圖
二極管的特性可以通過(guò)如圖1所示的突變型PN結(jié)來(lái)做深入理解。考慮到兩片硅材料，一片是重?fù)搅耸┲麟s質(zhì)的n+硅，一片是輕摻了受主雜質(zhì)的p硅。如圖1a所示那樣我們?cè)趚=0處將它們結(jié)合。n+區(qū)域電子密度等于施主雜質(zhì)的數(shù)目，而P區(qū)域認(rèn)為空穴密度等于受主雜質(zhì)濃度，但這種靜態(tài)情況將不會(huì)持續(xù)。在PN結(jié)邊界處電子將和空穴重新結(jié)合，結(jié)果是導(dǎo)致在PN結(jié)連接處的區(qū)域電子和空隙全被耗空。這就是圖1b所示的耗盡層，或者說(shuō)是零載流子濃度區(qū)域。在這個(gè)連接處區(qū)域隨著載流子濃度的耗盡就成為靜電荷區(qū)域，如圖1c。在橫坐標(biāo)零點(diǎn)左邊，由于電子和右邊的空穴中和從而只剩下帶正電的靜電荷；在零點(diǎn)右邊，由于空穴和左邊的電子中和從而只剩下帶負(fù)電的靜電荷。在PN結(jié)連接處的兩邊耗盡區(qū)的寬度依賴于兩邊施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)各自的摻雜濃度。有個(gè)物理現(xiàn)象是PN結(jié)耗盡區(qū)總的正電荷數(shù)和負(fù)電荷數(shù)一樣，所以PN總體還是呈現(xiàn)不帶電狀態(tài)。 PN結(jié)連接處摻雜濃度高的一邊的耗盡層寬度比摻雜濃度低的一邊要窄得多。 耗盡區(qū)一定的靜電荷密度的存在產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng)，其場(chǎng)強(qiáng)最大的地方是PN結(jié)連接處，如圖1d所示。PN結(jié)的電場(chǎng)存在產(chǎn)生了內(nèi)建電壓差，如圖1e所示。電場(chǎng)和電壓的存在會(huì)迫使電子向n區(qū)域移動(dòng)，而空穴向p區(qū)移動(dòng)。
圖2：具有不同的反向擊穿電壓的穩(wěn)壓二極管的I-V曲線圖。電壓值是n區(qū)相對(duì)于p區(qū)的電壓
圖2是有不同反向擊穿電壓的三個(gè)二極管的電流相對(duì)電壓的曲線圖。當(dāng)n區(qū)相對(duì)P區(qū)有負(fù)電壓，且當(dāng)負(fù)電壓低于-0.6 V(即絕對(duì)值大于0.6 V)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)P區(qū)到N區(qū)的大電流；當(dāng)有正電壓時(shí)，在小于擊穿電壓之前電流可以忽略不計(jì)。二極管的基本性質(zhì)可以通過(guò)考慮耗盡層的電壓和電場(chǎng)來(lái)理解。
圖3描述了正向偏壓的二極管情況。正向偏壓即在N區(qū)加一個(gè)相對(duì)P區(qū)的負(fù)電壓。 這樣會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)內(nèi)建電勢(shì)的減小，其變化趨勢(shì)如圖3e所示。PN結(jié)內(nèi)建電勢(shì)的減小會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)以及耗盡區(qū)寬度的減小，如圖d、c和b所示。二極管內(nèi)部電壓的減小和耗盡區(qū)寬度的減小開(kāi)始允許電流導(dǎo)通二極管。有不同反向擊穿電壓的三個(gè)穩(wěn)壓二極管的正向偏壓工作下的電流相對(duì)電壓的性質(zhì)如圖4。
圖3 正向偏壓下二極管特性。黑線表示沒(méi)有偏壓，紅線表示有一個(gè)正向偏置電壓
圖4 不同反向擊穿電壓的三個(gè)穩(wěn)壓二極管正向偏壓下的電流相對(duì)電壓的曲線
反偏壓情況如圖5所示，在反偏壓下n區(qū)相對(duì)p區(qū)的電壓是個(gè)正電壓。這會(huì)使得PN結(jié)內(nèi)部的電勢(shì)變大超過(guò)開(kāi)始的內(nèi)建電勢(shì)，如圖5e所示；當(dāng)然也會(huì)增強(qiáng)PN結(jié)的電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖5d所示。最終的結(jié)果是PN結(jié)耗盡區(qū)的寬度增加， 內(nèi)部電勢(shì)和電場(chǎng)會(huì)使得PN結(jié)平衡電流(擴(kuò)散電流和漂移電流)比沒(méi)有外部偏壓時(shí)要大。這說(shuō)明如果通過(guò)二極管的電流很小時(shí)，那么它的導(dǎo)通電壓的范圍會(huì)比較大。
圖5 反向偏壓下二極管特性。黑線表示沒(méi)有偏壓，紅線表示有一個(gè)反向偏置電壓在足夠大的反偏壓下，電流開(kāi)始流動(dòng)，這可以在圖2中看到。如果在PN結(jié)處的摻雜濃度不是很高的話，電流會(huì)通過(guò)雪崩擊穿開(kāi)始流動(dòng)。應(yīng)用電壓會(huì)在耗盡層產(chǎn)生電場(chǎng)。這個(gè)區(qū)域?qū)?huì)加速少數(shù)載流子被充滿熱量地注入耗盡層。在高電場(chǎng)中，載流子之間的碰撞會(huì)產(chǎn)生額外的電子空穴對(duì)。那原先是單一的載流子現(xiàn)在變成了三種。如果這個(gè)過(guò)程重復(fù)發(fā)生，雪崩會(huì)導(dǎo)致大電流。摻雜濃度越高的PN結(jié)，其耗盡區(qū)更窄，那么其電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)越高。因此摻雜濃度高的PN結(jié)，其雪崩擊穿的觸發(fā)電壓更低。雪崩擊穿被定義是在非常窄的電壓區(qū)域其電流急速增加，如圖6所示。
圖6 不同擊穿電壓二極管的電流-電壓(I-V)曲線。擊穿電壓定義為在室溫下5 mA反向電流時(shí)的電壓
在高摻雜濃度下第二次擊穿發(fā)生。在高摻雜濃度下，電場(chǎng)變得太強(qiáng)以致電子從本質(zhì)上遠(yuǎn)離原子成為完全自由載流子。這個(gè)過(guò)程就是大家所知的齊納擊穿(在半導(dǎo)體中的一種非破壞性擊穿)，這常常被描述為電子從禁帶到導(dǎo)帶的量子隧穿。齊納擊穿的電流相對(duì)電壓增長(zhǎng)相對(duì)5.1V二極管的雪崩擊穿有一個(gè)更大的斜率，如圖6所表示。
