<PN junction> 6. Breakdown

이번에 리뷰할 내용은

PN junction에서 Reverse bias를 인가했을 때 일어나는 현상 중 하나로 "Break down" 에 대해서 살펴보려합니다.

 

Reverse bias에서 매우 큰 특정한 reverse 전압이 인가됐을 때 전류가 급격하게 증가하는 현상을 바로

Breakdown(항복) 이라고 합니다.

 

이 Breakdown은 크게 두가지 매커니즘이 나타나는 것을 볼 수 있습니다.

1. Zener effect

첫번째로는 Zener effect입니다.

Zener effect가 발생하는 조건은 우선 highly doped된 pn junction에서 일어난다는 점입니다.

높은 농도로 도핑된 pn 접합에서 터널링 현상으로 인해 발생하는 현상인데요

그래프를 보시면 highly doping으로 인해 Fermi level이 각각 p side에서는 Valence band 에 인접하고 n side에서는 conduction band와 인접하게 형성됨이 보입니다.

이렇듯 도핑농도가 매우 높게되면 band의 휘어짐이 크게 발생하고 Vbi의 크기가 아주 크게 만들어지게 됩니다.

이런 highly doping된 pn접합에 강한 reverse bias가 인가했을 때

band의 휘어짐이 더 크게 발생하고 에너지 장벽의 두께가 이와같이 얇아짐을 볼 수 있습니다.

그러면 p side 의 Fermi level 아래쪽의 많은 전자가 Tunneling(터널링) 현상으로 인해 n side로 넘어가게됩니다.

 

다수의 전자가 터널링 현상으로 인해서 넘어 감에 따라 급격한 전류의 증가가 발생해서 Zener effect가 발생합니다.

 

이렇게 Zener effect를 활용해서 만들어진 pn diode를 Zener diode라고 합니다.

사진 출처 : Semiconductor Physics and Devices (Donald A. Neamen)

Zener diode의 동작 특성은 일반적인 pn diode와 동일하지만

어떤 특정한 전압 Breakdown voltage에서는 전류가 급격하게 증가하는 iv curve를 띕니다.

 

이 다이오드는 외부에서 원치 않는 큰 전류, 예를 들어 정전기나 전기적인 쇼크가 들어왔을 때 

다이오드에 인가되는 전압이 Vb를 넘지 못하여 IC 양단에 걸리는 전압이 Vb를 넘지 못합니다.

이렇듯 보호하고 싶은 IC나 회로에 Zener diode를 사용합니다.

 

 

 

2. avalanche effect

두 번째로 살펴볼 현상으로는 avalanche effect입니다.

위의 zener effect와 크게 다른 점은 도핑이 높지 않은 평범한 pn junction에서 일어납니다.

avalanche(눈사태)라는 뜻과 같이 눈사태가 일어나는 것처럼 점점 효과가 증폭된다고 하여 avalanche effect라고 합니다.

 

conduction band에 있는 소수의 전자가 reverse bias가 인가됐을 때 n side의 +전압으로 이동하게 되는데

이동하면서 전자는 급격한 위치 에너지가 감소되며

큰 위치에너지의 차이가 추가적인 운동 에너지로 바뀌게 됩니다.

 

이 추가적인 운동 에너지가 valence band에 위치한 전자를 conduction band로 끌어올리게 되고 

전자와 홀 쌍을 만들어내는데, 이때 이 현상은 impact ionization을 통해 생성이 됩니다.

 

impact ioniztion 충돌 이온화란

이동하는 전자가 원자와 충돌해 전자와 홀 쌍을 생성하는 것을 말하는데

 

공핍층에 들어선 전자의 운동에너지는 전기장에 의해 에너지가 증폭되고

원자와 충돌을 일으켜 원자핵에 속박되어 있던 전자의 결합을 끊고 떼어내며 빈 공간이 생겨나 홀도 생성합니다.

이와 같이 발생하는 현상을 impact ionization (충돌 이온화)라고 합니다.

 

이 충돌 이온화 과정을 통해 

튀어나온 전자는 또 다른 원자를 때려 전자와 홀을 추가적으로 생성하는 방식을 반복해 

눈덩이처럼 전자가 불어나게 됩니다.

 

점점 눈사태처럼 e-와 h+가 불어나 각각 reverse bias에 의해서 n side와 p side로 이동하게 되고

눈덩이처럼 불어난 전자의 흐름이 큰 전류를 만들게 되어 avalenche effect가 발생합니다.

그렇다면 impact ionization이 일어나기 위한 전자가 가지는 운동에너지의 값을 알아봅니다.

결국 운동에너지는 valence band의 전자를 conduction band로 끌어올려주는 역할이므로

에너지 밴드갭(Eg)만큼의 운동에너지를 갖고 있어야 합니다.

 

전자가 가진 운동 에너지를 결정하는 것은 전자의 속도가 결정하고

전자의 속도는 전기장의 세기가 결정하므로

전자에게 가해지는 전기장의 세기가 특정값 이상으로 넘어가게 되면 전자가 가진 운동 에너지가 에너지 밴드갭 (Eg) 보다 커져서 impact ionization이 발생함을 알 수 있습니다.

 

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작성자: 손동휘 / 수정 및 검토: 김현수, 이현우