中心議題：
- TVS器件為正向和反向電壓不超過額定范圍提供保護
- 介紹基本二極管的性質
解決方案：
- 多個二極管以確保多路信號線受同一個瞬態電壓抑制器的保護
- 通過二極管的電流很小，它的導通電壓的范圍會比較大
- 摻雜濃度高的PN結，其雪崩擊穿的觸發電壓更低
基于雪崩二極管和穩壓二極管的瞬態電壓抑制器(TVS)專為傳輸更大的負載電流和承受更高的擊穿電壓而優化。瞬態電壓抑制器設計了多個二極管以確保多路信號線受同一個瞬態電壓抑制器的保護。二極管是由半導體硅組成的，即P型摻雜的硅和N型摻雜的硅形成的PN結。TVS器件為正向和反向電壓不超過額定范圍提供保護。基本二極管的性質將在下面討論
圖1 突變PN節示意圖
二極管的特性可以通過如圖1所示的突變型PN結來做深入理解。考慮到兩片硅材料，一片是重摻了施主雜質的n+硅，一片是輕摻了受主雜質的p硅。如圖1a所示那樣我們在x=0處將它們結合。n+區域電子密度等于施主雜質的數目，而P區域認為空穴密度等于受主雜質濃度，但這種靜態情況將不會持續。在PN結邊界處電子將和空穴重新結合，結果是導致在PN結連接處的區域電子和空隙全被耗空。這就是圖1b所示的耗盡層，或者說是零載流子濃度區域。在這個連接處區域隨著載流子濃度的耗盡就成為靜電荷區域，如圖1c。在橫坐標零點左邊，由于電子和右邊的空穴中和從而只剩下帶正電的靜電荷；在零點右邊，由于空穴和左邊的電子中和從而只剩下帶負電的靜電荷。在PN結連接處的兩邊耗盡區的寬度依賴于兩邊施主雜質和受主雜質各自的摻雜濃度。有個物理現象是PN結耗盡區總的正電荷數和負電荷數一樣，所以PN總體還是呈現不帶電狀態。 PN結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。 耗盡區一定的靜電荷密度的存在產生了一個電場，其場強最大的地方是PN結連接處，如圖1d所示。PN結的電場存在產生了內建電壓差，如圖1e所示。電場和電壓的存在會迫使電子向n區域移動，而空穴向p區移動。
圖2：具有不同的反向擊穿電壓的穩壓二極管的I-V曲線圖。電壓值是n區相對于p區的電壓
圖2是有不同反向擊穿電壓的三個二極管的電流相對電壓的曲線圖。當n區相對P區有負電壓，且當負電壓低于-0.6 V(即絕對值大于0.6 V)時，就會產生一個P區到N區的大電流；當有正電壓時，在小于擊穿電壓之前電流可以忽略不計。二極管的基本性質可以通過考慮耗盡層的電壓和電場來理解。
圖3描述了正向偏壓的二極管情況。正向偏壓即在N區加一個相對P區的負電壓。 這樣會導致PN結內建電勢的減小，其變化趨勢如圖3e所示。PN結內建電勢的減小會導致電場以及耗盡區寬度的減小，如圖d、c和b所示。二極管內部電壓的減小和耗盡區寬度的減小開始允許電流導通二極管。有不同反向擊穿電壓的三個穩壓二極管的正向偏壓工作下的電流相對電壓的性質如圖4。
圖3 正向偏壓下二極管特性。黑線表示沒有偏壓，紅線表示有一個正向偏置電壓
圖4 不同反向擊穿電壓的三個穩壓二極管正向偏壓下的電流相對電壓的曲線
反偏壓情況如圖5所示，在反偏壓下n區相對p區的電壓是個正電壓。這會使得PN結內部的電勢變大超過開始的內建電勢，如圖5e所示；當然也會增強PN結的電場強度，如圖5d所示。最終的結果是PN結耗盡區的寬度增加， 內部電勢和電場會使得PN結平衡電流(擴散電流和漂移電流)比沒有外部偏壓時要大。這說明如果通過二極管的電流很小時，那么它的導通電壓的范圍會比較大。
圖5 反向偏壓下二極管特性。黑線表示沒有偏壓，紅線表示有一個反向偏置電壓在足夠大的反偏壓下，電流開始流動，這可以在圖2中看到。如果在PN結處的摻雜濃度不是很高的話，電流會通過雪崩擊穿開始流動。應用電壓會在耗盡層產生電場。這個區域將會加速少數載流子被充滿熱量地注入耗盡層。在高電場中，載流子之間的碰撞會產生額外的電子空穴對。那原先是單一的載流子現在變成了三種。如果這個過程重復發生，雪崩會導致大電流。摻雜濃度越高的PN結，其耗盡區更窄，那么其電場強度就會越高。因此摻雜濃度高的PN結，其雪崩擊穿的觸發電壓更低。雪崩擊穿被定義是在非常窄的電壓區域其電流急速增加，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反向電流時的電壓
在高摻雜濃度下第二次擊穿發生。在高摻雜濃度下，電場變得太強以致電子從本質上遠離原子成為完全自由載流子。這個過程就是大家所知的齊納擊穿(在半導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帶的量子隧穿。齊納擊穿的電流相對電壓增長相對5.1V二極管的雪崩擊穿有一個更大的斜率，如圖6所表示。
