반도체 기초 Chapter 8 - 4. pn접합 다이오드의 역방향 접합 붕괴 현상

Chapter 8 - 4. pn접합 다이오드의 역방향 접합 붕괴 현상

 

pn접합 다이오드의 역방향 접합 붕괴 현상

소자에 매우 큰 역방향 전압이 인가되었을 때 매우 큰 역방향 전류가 흐르는 현상

 

의도치 않은 접합 붕괴 현상 때문에 다이오드가 파괴되기도 한다. 하지만 이 현상을 조절하면 유용하게 활용할 수도 있다.

- 일정한 전압 유지

- 정전기 방전 현상 이용하여 다이오드 소자의 동작 파괴 방지

 

접합 붕괴 현상 종류

- 눈사태 접합 붕괴 (avalanche breakdown)

- 제너 접합 붕괴 (Zener breakdown)

- 완전 공핍에 의한 접합 붕괴 (punch-through breakdown)

 

큰 역방향 전류가 인가되었을 때 역방향 전류 구성 성분

- 중성 영역의 확산 전류

- 공간전하 영역의 열생성 전류

- 접합 붕괴 전류

이 세 가지 구성요소는 서로 독립적으로 작용한다.

 

접합 붕괴 전압

접합 붕괴 현상이 발생하는 역방향 전압의 크기

 

접합 붕괴 전압을 결정하는 요소

- 반도체 재료의 특성

- 동작 온도

- 도핑 농도

- 평균 충돌거리

- 평균 자유시간

- 소자의 기하학적 구조 (중성영역의 길이)

 

 

• 눈사태 접합 붕괴 (avalanche breakdown)

큰 역방향 전압이 인가되면 공간전하 영역 내에 전자와 정공의 농도가 급격하게 높아져서 큰 역방향 전류가 흐르는 현상

 

공간전하영역 내에서 눈사태 접합 붕괴가 일어나는 과정

1) 큰 역방향 전압이 형성한 전계에 의해 전자와 정공이 가속된다.

2) 가속된 전자와 정공이 반도체 원자와 충돌하여 전자-정공 켤레가 생성된다.

3) 전자-정공 켤레 수가 급격하게 증가하고 큰 역방향 누설 전류가 흐른다.

 

눈사태 접합 붕괴 현상 발생 확률이 높을 때

- 공간전하 영역이 길 때

- 충돌 횟수가 많을 때

- 이동 전하의 운동 에너지가 클 때

- 충돌 거리가 길 때

- 큰 역방향 전압을 인가했을 때

 

• 제너 접합 붕괴 (Zener breakdown)

큰 역방향 전압이 인가되면 공간전하 영역 내에 전자가 터널링 되어 큰 역방향 전류가 흐르는 현상

 

공간전하 영역 내에서 제너 접합 붕괴가 일어나는 과정

1) 큰 역방향 전압이 인가되면 공간전하 영역 내의 p형 영역의 가전자 대역과 n형 영역의 전도 대역 사이의 공간적 거리가 매우 가까워진다.

2) 결국 공간전하 영역 내에서 p형 가전자 대역의 전자들이 n형 전도 대역으로 터널링한다.

 

제너 접합 붕괴(터널링) 현상 발생 확률이 높을 때

- p형 영역과 n형 영역의 도핑 농도가 높을 때

- 큰 역방향 전압을 인가했을 때

 

• 완전 공핍에 의한 접합 붕괴 (punch-through breakdown)

큰 역방향 전압이 인가되면 공간전하 영역이 다이오드 전체로 확장되어 큰 역방향 전류가 흐르는 현상

 

완전 공핍에 의한 접합 붕괴가 일어나는 과정

1) 큰 역방향 전압이 인가되면 공간전하영역의 폭은 길어지고 중성영역은 좁아진다.

2) 중성 영역이 좁아지다가 결국 사라지는 완전 공핍 상태가 된다.

3) 중성 영역의 소수 캐리어가 다이오드 전체에서 이동할 수 있게 된다.

 

완전 공핍에 의한 접합 붕괴 현상 발생 확률이 높을 때

- 중성 영역의 길이가 짧을 때

- 도핑 농도가 낮을 때

 

 

 

요약

pn 접합 다이오드의 역방향 접합 붕괴는 큰 역방향 전압에 의해 발생하는 현상이다.

붕괴 현상의 발생은 영역의 길이와 도핑 농도 등에 따라 달라진다.

 

 

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참고

 

공핍 전압

중성 영역에서 캐리어의 농도 기울기가 무한대가 될 때의 전압

공핍 전압은 온도와 에너지 밴드갭과 관련이 없다.