역방향 바이어스 항복

제너항복

 고농도의 도핑이 이루어진 접합이 역방향으로 바이어스된 경우 에너지 대역은 비교적 낮은 전압에서 서로 엇갈린다. n형 쪽 전도대역의 많은 빈 에너지상태들과 반대편의 p형 쪽 가전자대역의 충만된 많은 에너지상태들이 같은 높이로 나란히 서괴 되며 이들 두 대역을 분리시키고 있는 전위 장벽의 폭이 좁다면 전자의 터널링이 일어난다. p형 쪽 가전자대역에서 n형쪽 전도대역으로의 전자의 터널링은 n형 영역에서 p형 영역으로의 역전류를 구성하는데, 이것을 제너 효과라고 한다.

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

 에너지대역이 엇갈릴 때, 터널링거리는 눈에 보일 정도의 터널링이 생기기에는 너무나 클 것이다. 그러나 더 높은 전계일수록 대역 끝선의 기울기가 더 가파르기 때문에 역방향 방이서그 증대될 수록 터널링 거리는 작아진다. 이것은 전이영역의 폭이 역방향 바이어스와 더불어 현저하게 증가되지는 않는 다는 것을 가정하고 있다. 낮은 전압이며 정합의 양쪽에 고농도의 도핑이 이루어진 경우 이것은 잘 된 가정이다. 그러나 제너 항복이 수 V의 역방향 바이어스로서 생기지 않으면 애벌랜치 항복이 주가 될 것이다.

 단순한 공유결합 모형에서 제너효과는 접합부에서의 주된 원자의 전계이온화에 의한 것으로 생각할 수 있다. 즉, 고농도로 도핑된 접합에 대한 역방향 전압은 전이영역에서 큰 전계를 일으키며, 어떤 임계 전계강도에서는 공유결합에 참여하고 있는 전자들이 이 결합 수로부터 전계에 의해 떨어져 나와 접합의 n형 쪽으로 가속될 수 있다. 

애벌랜치 항복

저농도의 도핑이 이루어진 접합에서는 전자의 터널링은 무시할 수 있으며, 그 대신 항복기구는 큰 에너지의 캐리어에 의한 원자의 충돌이온화(impact ionization)를 수반한다. 보통 격자산란 현상은 그 산란된 캐리어가 충분한 에너지를 갖고 있으면 eHP의 생성으로 이끌어 갈 수 있다. 예를 들어, 전이영역의 전계가 크면 p형쪽으로부터 들어간 전자는 충분한 큰 운동에너지로 가속되어 격자와 이온화충돌을 일으킬 수 있다. 하나의 이와 같은 상호박용은 캐리어 증식(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 이온화충돌을 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 애벌랜치(avalanche)과정인데, 그것은 들어오는 캐리어 각각이 다수의 새로운 캐리어를 생성할 수 있기 때문이다.

  n형 및 p형 캐리어가 전이영역을 지나면서 가속되면서, 격자와의 충돌을 할 확률 P를 갖는다고 함으로써 애벌랜치 증식작용을 근사적으로 분석할 수 있다. 따라서 p형 쪽으로부터 들어간 전자 nin에 대해서는 Pnin의 이온화충돌이 있고, 각 충돌마다 한 EHP가 생기게 된다. 1차 전자들에 의한 Pnin개의 충돌 후에는 1차 및 2차 전자nin(1+P)가 생기게 된다. 충돌 후 각 EHP는 전이영역 내에서 실질적으로 전계영역거리 만큼 움직이게 된다. 예를 들어 한 EHP가 이 영역의 중앙에서 생기면 전자는 n형 쪽으로 거리 W/2, 정공은 p형 쪽으로 W/2를 표동한다. 따라서 2차 캐리어의 운동으로 인하여 이온화 충돌이 생기는 확률은 이 단순화된 모형에서는 역시 P이다. ninP의 2차적인 전자 정공쌍에 대해서는 (ninP)P의 이온화 충돌과 ninP^2개의 3차적인 쌍이 있을 것이다. 이상과 같은 여러 변의 충돌 후에는 n형 쪽에서 이 영역으로부터 나오는 전체적인 전자의 수를 합하여 재결합이 없다고 가정하고 더욱 포괄적인 이론에서는 전자와 정공에 의한 이온화충돌에 대하여 다른 확률과 재결합이 포함될 것이다. 

 일반적으로, 항복에 대한 임계 역방향 전압은 이온화충돌에 더욱 많은 에너지가 필요하므로 물질의 에너지 대역간극과 더불어 증대된다. 또 전계거리내에서의 피크 전계는 접합의 보다 낮게 도핑된 쪽의 도핑이 증가함에 따라 증가한다.