Junction Breakdown (Electrical Breakdown)

일반적인 pn junction diode에서 reverse bias를 가해줄 경우 전류가 흐르지 않는다. 그런데 특정 reverse bias 조건에서 전류가 흘러버리는 경우가 발생하는데 이를 breakdown이라고 한다. 이러한 breakdown의 종류에는 크게 두가지가 있는데 (1) Zener breakdown과 (2) Avalanche breakdown이다.

 

(1) Zener breakdown

Zener breakdown은 tunneling에 의해 발생하는 breakdown이다. 기본적으로 tunneling이 일어나기 위해서는 d (depletion region W)가 매우 좁아야한다. 위 그림에서 마찬가지로 p-type의 valence band에서 n-type의 conduction band로 전자가 tunneling되기 위해서는 거리 d가 매우 좁아야 하고(narrow depletion region) 이는 p-type과 n-type 모두가 heavily doping된 경우이다. (large number of electrons & holes)

이렇게 heavily doping된 상태에서 reverse bias가 걸려 강력한 electric field가 가해지면 전자가 tunneling되면서 breakdown current가 흐르게 되는 것이다.

 

Zener breakdown은 low voltage에서 발생한다. 이때 strong electric field가 걸리려면 voltage가 높아야 된다고 생각하기 쉽지만 전기장을 정의하는 식 E=V/d에서 d가 이미 충분히 작으므로 low voltage에서도 이미 strong electric field가 걸리게 되어 발생할 수 있는 것이다.

 

(2) Avalanche breakdown

Avalanche breakdown은 zener breakdown과는 다르게 lightly doping되어 depletion width가 커져 tunneling이 발생하기 어려운 상황에서 발생한다. W가 상대적으로 크기 때문에 breakdown에 필요한 voltage도 zener보다 커야하므로 high voltage에서 발생한다.

 

 

Avalanche Breakdown이 일어나는 주요 원인은 impact ionization이다. 강력한 voltage에 의해 electron이 depletion region에 들어서게 되면 atom과 충돌하게 된다. 이때 atom이 이온화되면서 EHP(electron hole pair)가 형성되며 이렇게 생성된 carrier들이 이동하다가 다른 atom과 충돌하여 또 다른 EHP를 생성하게 된다. 이 과정이 반복되면서 전류가 발생하게 되는 것이다. (carrier multiplication)

종합하자면 doping 농도가 높을 수록 low voltage에서 zener breakdown이 일어나며, 반대로 doping 농도가 낮으면 high voltage에서 avalanche breakdown이 일어난다.​