瞬态电压抑制器

基于雪崩二极管和稳压二极管的瞬态电压抑制器(TVS)专为传输更大的负载电流和承受更高的击穿电压而优化。瞬态电压抑制器设计了多个二极管以确保多路信号线受同一个瞬态电压抑制器的保护。二极管是由半导体硅组成的，即P型掺杂的硅和N型掺杂的硅形成的PN结。TVS器件为正向和反向电压不超过额定范围提供保护。基本二极管的性质将在下面讨论

图1 突变PN节示意图

二极管的特性可以通过如图1所示的突变型PN结来做深入理解。考虑到两片硅材料，一片是重掺了施主杂质的n+硅，一片是轻掺了受主杂质的p硅。如图1a所示那样我们在x=0处将它们结合。n+区域电子密度等于施主杂质的数目，而P区域认为空穴密度等于受主杂质浓度，但这种静态情况将不会持续。在PN结边界处电子将和空穴重新结合，结果是导致在PN结连接处的区域电子和空隙全被耗空。这就是图1b所示的耗尽层，或者说是零载流子浓度区域。在这个连接处区域随着载流子浓度的耗尽就成为静电荷区域，如图1c。在横坐标零点左边，由于电子和右边的空穴中和从而只剩下带正电的静电荷；在零点右边，由于空穴和左边的电子中和从而只剩下带负电的静电荷。在PN结连接处的两边耗尽区的宽度依赖于两边施主杂质和受主杂质各自的掺杂浓度。有个物理现象是PN结耗尽区总的正电荷数和负电荷数一样，所以PN总体还是呈现不带电状态。 PN结连接处掺杂浓度高的一边的耗尽层宽度比掺杂浓度低的一边要窄得多。 耗尽区一定的静电荷密度的存在产生了一个电场，其场强最大的地方是PN结连接处，如图1d所示。PN结的电场存在产生了内建电压差，如图1e所示。电场和电压的存在会迫使电子向n区域移动，而空穴向p区移动。

图2：具有不同的反向击穿电压的稳压二极管的I-V曲线图。电压值是n区相对于p区的电压。

图2是有不同反向击穿电压的三个二极管的电流相对电压的曲线图。当n区相对P区有负电压，且当负电压低于-0.6 V(即绝对值大于0.6 V)时，就会产生一个P区到N区的大电流；当有正电压时，在小于击穿电压之前电流可以忽略不计。二极管的基本性质可以通过考虑耗尽层的电压和电场来理解。

图3描述了正向偏压的二极管情况。正向偏压即在N区加一个相对P区的负电压。 这样会导致PN结内建电势的减小，其变化趋势如图3e所示。PN结内建电势的减小会导致电场以及耗尽区宽度的减小，如图d、c和b所示。二极管内部电压的减小和耗尽区宽度的减小开始允许电流导通二极管。有不同反向击穿电压的三个稳压二极管的正向偏压工作下的电流相对电压的性质如图4。

图3 正向偏压下二极管特性。黑线表示没有偏压，红线表示有一个正向偏置电压

图4 不同反向击穿电压的三个稳压二极管正向偏压下的电流相对电压的曲线

反偏压情况如图5所示，在反偏压下n区相对p区的电压是个正电压。这会使得PN结内部的电势变大超过开始的内建电势，如图5e所示；当然也会增强PN结的电场强度，如图5d所示。最终的结果是PN结耗尽区的宽度增加， 内部电势和电场会使得PN结平衡电流(扩散电流和漂移电流)比没有外部偏压时要大。这说明如果通过二极管的电流很小时，那么它的导通电压的范围会比较大。

图5 反向偏压下二极管特性。黑线表示没有偏压，红线表示有一个反向偏置电压。

在足够大的反偏压下，电流开始流动，这可以在图2中看到。如果在PN结处的掺杂浓度不是很高的话，电流会通过雪崩击穿开始流动。应用电压会在耗尽层产生电场。这个区域将会加速少数载流子被充满热量地注入耗尽层。在高电场中，载流子之间的碰撞会产生额外的电子空穴对。那原先是单一的载流子现在变成了三种。如果这个过程重复发生，雪崩会导致大电流。掺杂浓度越高的PN结，其耗尽区更窄，那么其电场强度就会越高。因此掺杂浓度高的PN结，其雪崩击穿的触发电压更低。雪崩击穿被定义是在非常窄的电压区域其电流急速增加，如图6所示。

图6 不同击穿电压二极管的电流-电压(I-V)曲线。击穿电压定义为在室温下5 mA反向电流时的电压。

在高掺杂浓度下第二次击穿发生。在高掺杂浓度下，电场变得太强以致电子从本质上远离原子成为完全自由载流子。这个过程就是大家所知的齐纳击穿(在半导体中的一种非破坏性击穿)，这常常被描述为电子从禁带到导带的量子隧穿。齐纳击穿的电流相对电压增长相对5.1V二极管的雪崩击穿有一个更大的斜率，如图6所表示。

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