Avalanche breakdown과 Zener breakdown에 대해서 설명해보세요.

역방향으로 바이어스된 pn 접합은 작은 그리고 본질적으로 전압에는 무관한 포화전류를 나타냄을 우리는 이미 알고 있다. 이것은 임계 역방향 바이어스에 이르기까지는 사실이다. 그리고 이 임계 역방향 바이어스일 때 역방향 항복(reverse dreakdown)이 일어난다.

이 임계 전압(Vbr)에서는 다이오드를 통하는 역방향 전류는 급격히 증가하며, 비교적 큰 전류가 전압의 작은 증가로 흐를 수 있는 것이다. 이 임계 항복 전압의 존재로 대부분 다이오드의 역방향 특성 곡선에 거의 직각 모양이 도입된다.

역방향 항복은 두 가지 기구로 발생되는데, 각각 접합부 전이영역에서의 임계 전계가 있어야 한다. 저너효과(Zener effect)라 하는 기구는 낮은 전압에서 작동하고 항복보다 높은 전압에서 생기면 그 기구는 애벌랜치 항복(avalanche breakdown)이다.

[Avalanche breakdown(애벌런치 항복)]

애벌런체란 눈사태처럼 전자가 기하급수적으로 불어나는 현상을 말하는 것이다. 보통 기체의 절연파괴현상이 발생하기 직전에 전자가 다른 기체원자 혹은 이온들과 충돌을 일으키면서 또 다른 전자들을 생성시키는데 이 때 생성된 전자들의 수가 지수 함수적으로 증가하기 때문에 전자사태란 말을 빌어 설명을 하고 있다.

기체절연파괴 현상 외에도 제너 다이오드의 도통과정을 설명할 때 애벌런체항복이란 용어를 사용하는데, 기체의 절연파괴 현상과 기본적인 메커니즘은 동일하다. 제너 다이오드에 역바이어스를 걸어주고 강한 전계를 인가해주면 다이오드 내부의 캐리어(하전입자)인 전자가 PN 반도체 내부의 이온들과 충돌을 일으키면서 새로운 전자와 정공들을 생성해낸다.

이때 생성된 전자와 정공들이 또 다른 이온들과의 충돌을 일으키기 때문에 마찬가지로 캐리어들이 기하급수적으로 늘어나 결국엔 전류가 급격히 증가하는 결과를 초래하는데 이를 제너 다이오드의 애벌런체 항복이라 한다.

저농도의 도핑이 이루어진 접합에서는 전자의 터널링은 무시할 수 있으며, 그 대신 항복 기구는 큰 에너지의 캐리어에 의한 원자의 충돌이온화(impact ionization)를 수반한다. 보통 격자 산란 현상은 그 산란된 캐리어가 충분한 에너지를 갖고 있으면 EHP의 생성으로 이끌어 갈 수 있다. 예를 들어, 전이영역의 전계 E가 크면 p형 쪽에서부터 들어간 전자는 충분한 큰 운동에너지로 가속되어 격자와 이온화 충돌을 일으킬 수 있다.

이와 같은 상호작용은 캐리어증식 (carrier multiplication)을 가져온다. 즉, 원래의 전자와 이 새로 생성된 전자가 모두 접합의 n형 쪽으로 쓸려가고 또 생성된 정공이 p형 쪽으로 쓸려간다. 전이영역 내에서 생성된 캐리어 역시 전자와 이온화 충돌을 하면 증식의 정도는 매우 커질 수 있다.

예를 들어, 들어오는 전자는 격자와 충돌하고 EHP를 생성할 것이다. 이들 캐리어 하나하나가 새로운 EHP를 생성하는 기회를 가지며, 이 새로 생긴 것들 각각이 또한 EHP를 생성하고 이와 같은 것이 계속된다. 이것이 avalanche 과정인데 그것은 들어오는 캐리어 각각이 다수의 새로운 캐리어를 생성할 수 있기 때문이다.

[Zener breakdown]

고농도의 도핑이 이루어진 접합이 역방향으로 바이어스된 경우 에너지 대역은 비교적 낮은 접압에서 서로 엇갈리게 된다. (n형쪽 전도대역은 p형쪽 가전자대역의 반대쪽 맞은편에 나타난다.) 이 대역의 교차로 n형쪽 전도대역의 많은 빈 에너지 상태들과 반대편의 p형쪽 가전자대역의 충만된 많은 에너지 상태들이 같은 높이로 나란히 서게 된다.

이들 두 대역을 분리시키고 있는 전위장벽의 폭이 좁다면 터널링(tunneling)이 일어날 수 있다, p형쪽 가전자 대역에서 n형쪽 전도대역으로의 전자의 터널링은 n형 영역에서 p형 영역으로의 역전류를 구성하는데, 이것을 제너효과라고 한다.

터널링 전류가 생길 기본요건은 많은 빈 에너지 상태들로부터 유한한 높이의 좁은 전위장벽으로 격리되어 있는 다수의 전자가 있다는 것이다. 터널링의 확률은 이 장벽의 폭에 의존 하므로, 금속학적 접합부는 급준하고 고농도의 도핑이어서 전이영역W 는 그 접합의 양쪽으로부터 극히 짧은 거리까지로만 확장된다는 것이 중요하다.

예를 들어 접합부가 급준하지 못하거나 또는 접합부의 한쪽이 저농도의 도핑이 이루어 졌다면, 전이영역W 는 터널링효과가 생기기에는 너무 넓게 될 것이다. d는 더 높은 전계일수록 대역끝선의 기울기가 더 가파르기 때문에 역방향 바이어스가 증대 될수록 d는 작아진다.