제너 항복과 애벌란시 항복의 차이점 정리

둘 다 PN 접합에 큰 역전압을 가했을 때 전류가 급격히 증가하는 항복 현상이지만, 메커니즘이 다릅니다. 제너 항복은 불순물 농도가 높고 공핍층이 매우 얇은 접합에서 가전자대의 전자가 터널 효과로 전도대로 빠져나가면서 일어납니다. 애벌란시 항복(사태 항복)은 강한 전계로 가속된 캐리어가 충돌 이온화로 전자-정공 쌍을 만들고, 그것이 연쇄적으로 늘어나면서 일어납니다. 실리콘에서는 항복 전압이 약 5 V 이하이면 제너 항복, 약 6~7 V 이상이면 애벌란시 항복이 주가 되며, 온도 계수의 부호가 반대입니다.

비교 항목제너 항복애벌란시 항복
메커니즘터널 효과. 가전자대의 전자가 얇은 장벽을 빠져나가 전도대로 이동합니다충돌 이온화. 전계로 가속된 캐리어가 새로운 전자-정공 쌍을 만들고 연쇄적으로 늘어납니다
접합의 불순물 농도양쪽 모두 매우 높음적어도 한쪽이 낮음. 낮을수록 항복 전압이 높아집니다
공핍층 폭매우 얇음(약 10 nm 이하)넓음. 캐리어를 가속할 거리가 필요합니다
항복이 일어나는 전계(실리콘, 기준값)약 10⁶ V/cm 정도의 매우 강한 전계약 3×10⁵ V/cm 전후(불순물 농도에 따라 달라짐)
항복 전압(실리콘, 기준값)약 5 V 이하. 약 5 V에서 약 6~7 V 사이에서는 두 가지가 섞여 일어납니다약 6~7 V 이상. 수백~수천 V의 고내압 접합도 이 항복으로 결정됩니다
항복 전압의 온도 계수음. 온도가 올라가면 밴드갭이 줄어들어 항복 전압이 낮아집니다양. 온도가 올라가면 격자 진동에 의한 산란이 늘어 항복 전압이 높아집니다
항복의 상승비교적 완만함급준함
잡음비교적 작음사태 증배에 따른 잡음이 큼
주요 용도약 5 V 이하의 정전압 다이오드, 낮은 전압의 기준이나 클램프약 6 V 이상의 정전압 다이오드, 서지 흡수용 다이오드, 애벌란시 포토다이오드, SPAD

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

제너 항복
약 5 V 이하의 낮은 전압으로 전압을 고정하고 싶을 때. 저전압 정전압 다이오드나 입력 전압을 억제하는 클램프 등에 사용됩니다.
애벌란시 항복
약 6 V 이상의 정전압이 필요하거나 서지로부터 회로를 보호할 때. 빛을 증배해 검출하는 애벌란시 포토다이오드나 SPAD에서는 이 항복을 적극적으로 이용합니다. 전력 소자에서는 내압을 결정하는 현상으로서 설계합니다.
함께 사용
항복 전압이 약 5~6 V인 정전압 다이오드에서는 음의 온도 계수를 갖는 제너 항복과 양의 온도 계수를 갖는 애벌란시 항복이 서로 상쇄되어 온도에 따른 전압 변화가 작아집니다. 온도에 안정적인 기준 전압이 필요할 때는 이 범위의 제품이나 온도 보상형을 선택합니다.

자주 묻는 질문

제너 다이오드는 모두 제너 항복을 이용하나요?

아닙니다. 정전압 다이오드는 관습적으로 제너 다이오드라고 불리지만, 실리콘에서 약 6~7 V 이상인 것은 주로 애벌란시 항복을 이용합니다. 터널 효과에 의한 제너 항복이 주가 되는 것은 약 5 V 이하의 낮은 전압의 제품입니다.

온도 계수의 부호가 반대가 되는 이유는 무엇인가요?

제너 항복에서는 온도가 올라가면 밴드갭이 줄어들어 터널 효과가 일어나기 쉬워지므로 항복 전압이 낮아집니다. 애벌란시 항복에서는 온도가 올라가면 격자 진동에 의한 산란이 늘어 캐리어가 충돌 이온화에 필요한 에너지까지 가속되기 어려워지므로 항복 전압이 높아집니다.

항복한 다이오드는 망가지나요?

어느 항복이든 그 자체만으로 접합이 파괴되는 것은 아니며, 전류를 제한하면 원래대로 돌아옵니다. 파괴되는 것은 항복 중의 전류와 전압에 의한 발열이 너무 클 때입니다. 정전압 회로에서는 다이오드와 직렬로 저항을 넣어 전류를 제한합니다.

애벌란시 항복은 전력 소자에서 어떻게 다루나요?

전력 MOSFET이나 다이오드의 내압은 주로 애벌란시 항복이 일어나는 전압으로 결정됩니다. 드리프트층의 불순물 농도를 낮추고 두껍게 하면 내압은 높아지지만 온 저항도 증가합니다. 유도성 부하를 차단할 때 등에 항복 영역에 들어갈 수 있으며, 그때 견딜 수 있는 에너지를 애벌란시 내량으로 규정합니다.

이해도 확인

정전압 다이오드(제너 다이오드)가 주로 이용하는 현상은 무엇입니까?

  1. A순방향 확산 전류
  2. B역방향 바이어스에서의 항복 현상
  3. C빛의 흡수에 의한 기전력
정답과 해설 보기

정답: B. 역방향 바이어스에서의 항복 현상

정전압 다이오드는 역방향 전압이 항복 전압에 도달하면 전류가 급증하고, 전류가 변해도 전압이 거의 일정하게 유지되는 성질을 사용합니다. 항복 전압은 불순물 농도로 결정되며 시판품은 약 2~200 V까지 갖추어져 있습니다. 약 5 V 이하는 주로 터널 효과에 의한 제너 항복, 그 이상은 주로 애벌란시 항복입니다. 기준 전압 생성, 과전압으로부터의 보호 등에 사용됩니다. 빛에 의한 기전력은 태양전지나 포토다이오드의 현상입니다.

애벌란시 항복의 원리로 올바른 것은 무엇입니까?

  1. A고전계에서 가속된 캐리어가 격자에 충돌하여 새로운 전자-정공 쌍을 만들고, 그것이 연쇄적으로 늘어난다
  2. B전자가 얇은 장벽을 양자역학적으로 빠져나간다
  3. C온도 상승으로 접합이 녹는다
정답과 해설 보기

정답: A. 고전계에서 가속된 캐리어가 격자에 충돌하여 새로운 전자-정공 쌍을 만들고, 그것이 연쇄적으로 늘어난다

애벌란시 항복에서는 공핍층의 강한 전계로 가속된 캐리어가 원자에 충돌하여 전자-정공 쌍을 만들고(충돌 이온화), 그것이 다시 가속되어 충돌을 반복함으로써 전류가 급증합니다. 실리콘의 임계 전계는 약 3×10⁵ V/cm이며, 불순물 농도가 낮아 공핍층이 넓은 접합일수록 높은 전압에서 일어납니다. SiC는 임계 전계가 약 10배 높으므로 같은 내압을 얇은 드리프트층으로 구현할 수 있어 저손실 파워 소자가 됩니다.

불순물 농도가 매우 높은 PN 접합에서 낮은 역전압에서 일어나는 항복의 주된 원리는 무엇입니까?

  1. A애벌란시 항복
  2. B양자역학적 터널 효과에 의한 제너 항복
  3. C열에 의한 접합의 용융
정답과 해설 보기

정답: B. 양자역학적 터널 효과에 의한 제너 항복

양쪽이 고농도인 접합에서는 공핍층이 약 10 nm 이하로 매우 얇아, 강한 전계 아래에서 가전자대의 전자가 장벽을 터널 효과로 통과하여 전도대로 이동합니다. 이것이 제너 항복이며, 대체로 5 V 이하의 낮은 항복 전압에서 일어나고 온도가 올라가면 항복 전압이 내려갑니다(갭이 줄어들기 때문). 높은 항복 전압은 애벌란시 항복이 주이며, 온도 계수는 반대로 양(+)이 됩니다.

  1. 애벌란시 항복의 항복 전압은 온도가 올라가면 일반적으로 어떻게 됩니까?
  2. 정전압 다이오드에서 제너 전압이 약 5~6 V인 것은 온도에 의한 전압 변화가 작다. 그 이유로 올바른 것은 무엇입니까?
  3. 한쪽의 불순물 농도를 낮춘 PN 접합의 항복 전압은 일반적으로 어떻게 됩니까?

PN 접합과 다이오드 문제 풀기

주요 용어 설명

제너 다이오드
역방향 항복 전압이 거의 일정해지는 특성을 이용해 정전압을 얻는 다이오드.
애벌란시 항복(avalanche breakdown)
역방향 강한 전계로 가속된 캐리어가 원자와 충돌해 새 캐리어를 만들고, 이것이 연쇄적으로 늘어 큰 전류가 흐르는 현상.
공핍층(Depletion Layer)
PN 접합 경계 부근에 생기는, 캐리어가 거의 존재하지 않는 영역. 역바이어스에서 넓어진다.
SPAD(단일 광자 애벌란시 다이오드)
항복 전압을 넘는 역바이어스로 동작시켜 광자 1개로도 애벌란시 증배에 의해 큰 펄스를 내는 수광 소자. LiDAR 등의 거리 측정에 쓰인다.

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