애벌런치 항복 (Avalanche Breakdown)

한 줄 정의: 역방향 전계가 충분히 커지면 캐리어가 가속되어 충돌 이온화로 새로운 전자-정공 쌍을 계속 생성함으로써 전류가 눈덩이처럼 급격히 증가하는 항복 현상입니다.

쉽게 풀면

애벌런치 항복은 눈사태처럼 전류가 순식간에 불어나는 현상입니다. 역방향 전압이 커지면 접합 내부의 전자가 강한 전기장을 받아 빠르게 가속되고, 다른 원자와 부딪히면서 새로운 전자-정공 쌍을 만들어냅니다. 이렇게 만들어진 캐리어가 또 다른 캐리어를 만들어내는 연쇄반응이 이어지면서 전류가 급격히 증가합니다. 이 현상은 도핑 농도가 상대적으로 낮은 접합에서 흔히 나타납니다.

왜 중요한가

애벌런치 항복은 전력반도체 소자의 내전압 한계를 결정짓는 중요한 요인이기 때문에, 전력용 다이오드나 트랜지스터의 설계 및 신뢰성 평가에서 핵심적으로 다뤄집니다. 소자가 애벌런치 조건을 견딜 수 있는 능력(애벌런치 내량)은 전력전자 논문에서 자주 평가 항목으로 등장합니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"The avalanche breakdown voltage increases with decreasing doping concentration in the lightly doped region."

저농도 도핑 영역의 도핑 농도가 낮아질수록 애벌런치 항복전압이 높아진다는 설명입니다.

"The power diode was tested for repetitive avalanche breakdown to evaluate its ruggedness under surge conditions."

서지 조건에서 소자의 내구성을 평가하기 위해 전력용 다이오드에 반복적인 애벌런치 항복 시험을 수행했다는 내용입니다.

조금 더 깊게 보면

애벌런치 항복은 충돌 이온화 계수가 전계 세기에 매우 민감하게 반응하면서 발생하며, 공핍층의 폭과 최대 전계 세기, 도핑 농도 분포에 따라 항복전압이 결정됩니다. 일반적으로 도핑 농도가 낮을수록 공핍층이 넓어져 항복전압이 높아지는 경향을 보입니다. 온도가 올라가면 캐리어의 평균 자유행로가 줄어들어 항복전압이 다소 높아지는 양의 온도계수를 갖는 경향이 흔히 관찰됩니다.

주의할 점

애벌런치 항복과 제너 항복은 물리적 메커니즘이 다르며, 접합의 도핑 농도와 인가 전압 범위에 따라 어느 쪽이 지배적인지가 달라질 수 있습니다. 소자가 항상 애벌런치 조건을 안전하게 견딜 수 있는 것은 아니며, 과도한 에너지가 유입되면 소자가 파괴될 수 있습니다.