齐纳击穿

1. 基础概念：导体、绝缘体与半导体
   要理解齐纳击穿，首先要区分材料的导电性。导体（如金属）内部有大量自由电子，容易导电。绝缘体（如橡胶）的电子被原子核紧紧束缚，很难导电。半导体（如硅、锗）的导电性介于两者之间，其导电能力可以通过掺杂微量杂质来精确调控。

2. p-n结的形成与能带结构
   当p型半导体（富含可移动的“空穴”，视为正电荷载流子）和n型半导体（富含自由电子）紧密结合时，在交界处会形成一个特殊的区域，称为p-n结。在结区，电子从n区扩散到p区，空穴从p区扩散到n区，留下不能移动的带电离子，形成一个由n区指向p区的内建电场。这个电场阻止了扩散的进一步进行，达到平衡。从能量角度看，p区的电子能量（位于价带顶）高于n区的电子能量（位于导带底），这个能量差称为“势垒”。电子必须获得足够能量（如热能）才能“爬”过这个势垒。

3. p-n结的反向偏置
   当给p-n结外加电压，且正极接n区，负极接p区时，称为“反向偏置”。此时外电场与内建电场方向一致，增强了势垒，使得多数载流子（p区的空穴和n区的电子）更难越过结区，电流极小，表现为高电阻。然而，在半导体内部，由于热激发，始终存在少量由电子-空穴对构成的“少数载流子”。在反向电场作用下，这些少数载流子可以轻松漂移过结区，形成微小且基本恒定的“反向饱和电流”。

4. 击穿现象引入
   随着反向偏置电压的不断增大，反向饱和电流会突然急剧增大的现象，称为p-n结的“击穿”。击穿本身并不意味着器件必然损坏（若控制电流则可恢复），但它是许多半导体器件工作的物理基础。击穿主要有两种机制：雪崩击穿和齐纳击穿。

5. 齐纳击穿的微观机制
   齐纳击穿是一种量子力学效应，也称为“隧道击穿”。在重掺杂的p-n结中，耗尽区（即结区）非常窄。当施加一个较大的反向电压时，p区价带的电子所面对的能量势垒会变得非常薄（典型宽度在几纳米量级）。根据量子力学的原理，电子有一定概率像“穿隧道”一样，直接穿过这个薄势垒，从p区的价带隧穿到n区的导带，从而形成大量电流。这个过程不需要载流子通过碰撞获得高能量。

6. 齐纳击穿的特征

   • 电压阈值：发生电压较低，通常低于5V，且非常稳定。
   • 温度系数：具有负温度系数。温度升高，半导体能带间隙略微变小，电子更容易隧穿，因此击穿电压随温度升高而轻微下降。
   • 必要条件：需要重掺杂的p-n结，以形成足够窄的耗尽区。

7. 对比：雪崩击穿
   为了更准确理解齐纳击穿，需对比另一种主要击穿机制。雪崩击穿发生在轻掺杂或中度掺杂的p-n结中，其耗尽区较宽。在高反向电压下，少数载流子（如电子）在穿过耗尽区时被电场加速，获得极高动能，与晶格原子发生碰撞，将价带电子“撞”到导带，产生新的电子-空穴对。这些新生的载流子又被加速并继续碰撞，引发连锁反应，像雪崩一样使载流子数量激增。雪崩击穿电压通常较高（>7V），且具有正温度系数（温度升高，晶格振动加剧，载流子平均自由程变短，需要更高电压才能获得足够动能）。

8. 应用：齐纳二极管
   利用齐纳击穿的稳定电压特性制成的二极管，称为齐纳二极管或稳压二极管。在电路中，它工作于反向击穿区。当两端电压试图超过其标称击穿电压时，电流会急剧增加，从而将电压“钳位”在一个基本恒定的值，广泛用于电压基准、过压保护和稳压电源等电路中。对于击穿电压在5-7V左右的二极管，通常齐纳击穿和雪崩击穿机制会同时起作用。