4.5 접합 항복 (Junction Breakdown)

4.5.0 접합 항복

 > PN 접합에 역 바이어스가 걸리면 무시될 정도의 작은 전류가 흐른다. 

 

 > 접합 항복(Junction Breakdown)만큼 역전압이 걸리면 전류가 크게 흐른다. 

 

 > 접합 항복 상태여도 파괴되는 현상은 꼭 아니다. 

 

 > 따라서 역방향 항복 상태에서 안전하게 동작할 수 있다. 

 

 > 전류가 변화되어도 전압이 동일한 특성을 이용한 소자를 제너 다이오드라고 한다. 

 

 > 항복 전압이 3.7V이면 전압이 높게 걸려도 3.7V만 걸린다. (파괴되지 않도록 적절한 R이 필요하다) 

그림 1. Zener Diode

 

4.5.1 피크 전계 (Peak Electric Field) 

 

 > PN 접합에서 피크 전계(Epeak)까지 도달했을 때 접합 항복이 발생한다. 

 

 > 전계 식을 통해 항복 전압(VB)을 구할 수 있다. 

 

 

4.5.2 터널링 항복 (Tunneling Breakdown) 

 

 > PN 접합의 EBD(Energy Band Diagram) 역전압을 가하면 N의 전도대역과 P 가전자 대역과 가까워진다. 

 

 > 이에 따라 P의 전자가 N 전도 대역으로 터널링이 발생할 수 있다. 

 

 > 이러한 터널링은 터널링 항복이라고 하며 캐리언 농도 N이 높고 항복 전압 Vr이 낮을 때 우세하게 발생하는 메커니즘이다. 

그림 2. Tunneling Breakdown

 

4.5.3 애벌런치 항복 (Avalanche Breakdown) 

 

 > 전계가 점점 증가하면 P에 있던 전자들이 충분한 에너지를 얻어 공핍층을 가로지르게 된다. 

 

 > 그 중 일부는 충분한 운동 에너지를 얻어 격자와 충돌하여 전자 정공 쌍을 생성시킨다. 

 

 > 이런 현상을 충돌 이온화 (Impact Ionization)이라고 한다. 

 

 > 충돌 이온화로 생성도니 전자 정공 쌍들은 전계에 의해 또 다시 충돌 이온화하여 더 많은 캐리어들을 생성시킨다. 

 

 > 연쇄된 충돌 이온화에 의한 항복을 애벌런치 항복이라고 한다. 

 

 > 큰 항복 전압이 필요하면 접합의 도핑 농도를 낮춰야 한다. 

 

 > 에너지 밴드 갭이 커지면 항복 전압 또한 증가한다. (충돌 이온화를 발생시키기 위해 더 많은 전계가 필요하므로) 

 

그림 3. Avalanche Breakdown

 

 

4.5.0 Junction Breakdown

•When reverse bias is applied to a PN junction, a small current flows, typically negligible.

•Only when a voltage reaches the junction breakdown voltage (VB) does a significant current flow.

•It's important to note that reaching the junction breakdown state does not necessarily lead to destruction.

•Therefore, it can operate safely in the reverse bias state.

•Components that utilize the characteristic of maintaining a constant voltage despite changing current are called Zener diodes.

•If the breakdown voltage is 3.7V, it will remain at 3.7V even if a higher voltage is applied (appropriate resistor R is needed to prevent damage).

Figure 1. Zener Diode

 

4.5.1 Peak Electric Field

•Junction breakdown occurs when the peak electric field (Epeak) is reached in a PN junction.

•The breakdown voltage (VB) can be calculated using the current equation.

4.5.2 Tunneling Breakdown

•Applying reverse voltage to the PN junction brings the N conduction band and P valence band closer together in the Energy Band Diagram (EBD).

•As a result, electrons from P can tunnel into the N conduction band.

•This phenomenon is called tunneling breakdown and is dominant when the carrier concentration N is high, and the breakdown voltage Vr is low.

Figure 2. Tunneling Breakdown

 

4.5.3 Avalanche Breakdown

•As the electric field gradually increases, electrons from the P region gain enough energy to cross the depletion layer.

•Some of them gain sufficient kinetic energy to collide with lattice atoms, generating electron-hole pairs.

•This phenomenon is called impact ionization.

•The electron-hole pairs generated by impact ionization undergo further collision ionization due to the electric field, creating more carriers.

•The breakdown caused by this chain reaction of collision ionization is called avalanche breakdown.

•To require a higher breakdown voltage, the doping concentration of the junction must be reduced.

•Increasing the energy bandgap also increases the breakdown voltage (more current is needed to trigger collision ionization due to the larger bandgap).

 

Figure 3. Avalanche Breakdown

 

Reference 

-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)