앞장을 통해서 pn junction 양단에 reverse bias를 인가하였을 때의 효과들을 보았다.
하지만, reverse bias는 특정 전압에서 전류가 급격히 증가할 수 있는 특징 또한 존재한다.
이 점에 인가된 전압을 breakdown voltage 즉 항복전압 이라고 부른다.
pn junction에 있어서 breakdown을 일으키는 두가지 물리적 mechanisms이 있는데,
제너 효과 (Zener effect), 에벌런치 효과(avalanche effect)이다.
- 제너 효과 (Zener effect)
제너 항복은 매우높게 도핑된 pn junction에서 생기는 터널링 메커니즘에 의해 일어난다.
도핑 농도가 높을수록 pn 접합의 휘어짐 또한 커지고(=$V_{bi}$ 매우 커짐), 높은 도핑 농도로 인해 페르미 레벨이 $E_c$ 근처에 있다.
이때 매우 강한 reverse bias를 가한다고 가정하면, 밴드가 더 심하게 휘어질 것이다.
P-type 쪽에는 상대적으로 - 전압이 인가되어 밴드가 위로 올라간다. 반대로 N-type 쪽에는 + 전압이 인가되어 밴드가 아래로 내려간다.
($E_F$ = 전자 존재 확률이 1/2인 지점이다. 해당 지점 위로는 전자가 비어있고, 아래로는 전자가 차있다.)
그러면서 depletion region이 심하게 휘어지게 된다. 이로 인해 에너지 장벽이 얇아지며 p-type에 존재했던 전자가 n-type으로 이동하는 터널링 현상이 생긴다.
이렇게 전자의 움직임이 발생하여 전류의 흐름이 발생한다.
우리가 제너 다이오드를 사용하는 이유는 보호하고자 하는 회로나 IC를 보호하기 위해서이다.
다음과 같은 회로가 존재하고, 외부로부터 강한 전류가 들어왔을 시 제너다이오드 양단에는 항상 항복 전압($V_{B}$) 정도까지의 전압이 걸린다.
따라서 IC 단자에도 $V_{B}$ 이상으로 증가하지 않아 외부의 전압으로 부터 안전하게 보호가 가능하다.
- 에벌런치 효과(avalanche effect)
다음으로는 애벌런치 효과는 제너 효과와는 다르게 높은 도핑농도가 아닌 경우에도 발생 가능하다.
도핑 농도가 제너와 달리 높은 편이 아니므로 밴드의 그림에서도 $E_v$ 와 $E_c$ 가 페르미 레벨과 어느 정도 거리가 있음을 볼 수 있다.
여기에 아주 강한 reverse bias를 가하게 되면 그림과 마찬가지로 에너지 장벽이 심하게 휘어지는데, 위에서와 마찬가지로 p-type 에는 - 전압이, n-type 에는 + 전압이 인가된 상황이다.
이때 p-type이지만 $E_c$ 레벨에 어느 정도 소수의 전자(e)가 존재할 것이고 해당 전자가 n-type에 걸린 + 전압을 향해 이동을 할 것이다.
하지만 depletion region에 들어가며 급격한 휘어짐으로 인해 급격한 위치 E 감소를 가져오게 되고, 에너지 보존 법칙을 적용하여 '위치 E = 운동 E'로 변하게 된다.
이렇게 변한 운동 E는 추가적인 전자&홀 한쌍을 생성한다.
추가적으로 생성된 전자는 또다시 급격한 위치 E의 차이를 통해 운동 E로 변하는 동일한 과정을 거치며 에너지가 증폭된다.
아주 강한 운동 E를 지닌 전자가 원자핵에 속박된 전자를 하나 때림으로 결합을 끊어 내어 전자&홀 한쌍을 생성한다. 이 과정을 반복하는 증폭 현상.
이렇게 반복적인 과정을 통해 $E_v$ 에는 홀이 생성되어 - 전압 쪽으로 이동, $E_c$에는 전자가 생성되어 + 전압쪽으로 이동하는 전류가 발생. (= impact ionization)
그렇다면 위에서 이야기한 impact ionization 현상이 일어나려면 전자가 얼마나 큰 운동 E를 가져야 할까?
이는 밴드의 에너지 갭을 살펴보면 확인 가능하다.
전자가 가지고 있는 운동 에너지가 밴드갭 크기 이상이 되어야 전자 하나를 $E_v$에서 $E_c$로 이동 가능하다.
그러므로 전자의 운동 E = 전자의 이동 속도에 의해서 결정되고, 이때의 이동 속도는 전자를 가속시키는 E-field 세기가 결정한다. 따라서 E-field의 세기가 어떤 특정값을 넘기면 impact ionization이 가능함을 알 수 있다.
만일, reverse bias가 인가된 상황에서 impact ionization 현상이 일어나려면 $E_{max}$ 의 세기가 어떠한 특정 값을 넘기면 발생한다.
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