What are the Physical Mechanism Differences Between Avalanche Breakdown and Zener Breakdown in ESD Protection Diodes?

1. 首先简单理解的雪崩与齐纳击穿之间差异：

  1.1 雪崩击穿：高反向电压使耗尽区中载流子获得足够能量，与晶格原子碰撞产生新的电子 - 空穴对（雪崩倍增），导致反向电流骤增；击穿电压随温度升高而升高（正温度系数），适用于高电压、大电流场景（如电源端防护）

  1.2 齐纳击穿：低反向电压使耗尽区中强电场直接将束缚电子拉出共价键（场致发射），反向电流骤增；击穿电压随温度升高而降低（负温度系数）

2. 击穿机制

  2.1 ESD二极管芯片的内部结构中，雪崩击穿是主流机制，尤其适用于高电压、大电流的 ESD 防护场景；而齐纳击穿仅在特定低电压需求下辅助使用。通过合理设计 PN 结的掺杂浓度、结面积和工艺参数，可精准控制击穿类型，确保器件在 ESD 事件中快速响应、高效泄放并保持可恢复性

  2.2 生在高掺杂浓度的 PN 结中，由于耗尽层极窄，强电场直接促使价带电子通过量子隧穿效应跃迁到导带，形成大反向电流。其特点包括：

• 击穿电压较低（通常 < 5V），且与温度呈负相关（温度升高，击穿电压略微降低）
• 主要用于稳压：传统齐纳二极管利用这一特性提供固定参考电压，但在 ESD 保护中较少单独使用

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这里给大家解释，为什么大家常说，低于5V的ESD管，类似齐纳二极管

3. 结构设计与工艺优化

1. • 深掺杂层：通过额外的 ESD 注入工艺（如深 N + 扩散），增加耗尽层宽度，提高雪崩击穿电压和抗热能力。
   • 消除边缘效应：采用圆角结构或硅化物阻挡层（SAB），避免电场集中，防止局部提前击穿
   • 寄生 BJT 利用：在 MOS 型 ESD 器件（如 GGNMOS）中，雪崩击穿触发寄生 NPN 三极管导通，形成低阻通路，进一步提升泄放效率
      
     3.2 齐纳型 ESD 二极管的设计要点
     • 精确控制掺杂浓度：通过离子注入优化 P 区和 N 区的杂质分布，确保击穿电压稳定在目标值（如 3.3V 或 5V）
     • 抑制寄生效应：采用小尺寸结构或多二极管串联，降低寄生电容对信号的影响

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