애벌랜치 항복
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1. 개요
애벌랜치 항복은 재료 내의 전하 운반체 이동으로 인해 발생하는 현상으로, 반도체나 절연체에 강한 전기장이 가해질 때 나타난다. 전기장에 의해 가속된 전자가 원자와 충돌하며 더 많은 전자를 방출하는 연쇄적인 과정을 통해 전류가 급격히 증가한다. 파괴 전압 이상에서 발생하며, 일단 시작되면 전압이 낮아져도 전도 상태가 지속되는 히스테리시스 효과를 보인다. 애벌랜치 항복은 애벌랜치 트랜지스터, 애벌랜치 포토다이오드 등에서 작은 전류를 증폭하는 데 사용되며, 애벌랜치 다이오드에서는 전압 보호 회로 등에 활용된다.
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| 애벌랜치 항복 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 현상 | 반도체 소자 내에서 일어나는 항복 현상의 일종 |
| 설명 | 전압이 가해진 반도체 내에서 전자와 정공이 가속되어, 결정 격자와 충돌하여 추가적인 전자-정공 쌍을 생성하는 연쇄 반응 |
| 상세 정보 | |
| 발생 조건 | 충분히 높은 역전압 인가 |
| 원리 | 자유 전하 캐리어가 전기장에 의해 가속 충분한 에너지를 얻어 중성 원자와 충돌, 추가적인 전자-정공 쌍 생성 (이온화) 새로 생성된 캐리어들이 다시 가속되어 추가적인 충돌과 이온화 발생 (애벌랜치 효과) |
| 결과 | 전류의 급격한 증가 및 항복 현상 발생 |
| 특징 | |
| 온도 의존성 | 온도가 증가함에 따라 항복 전압 증가 |
| 원인 | 격자 진동 증가로 캐리어의 평균 자유 경로 감소 충돌 이온화 확률 감소 |
| 활용 | |
| 제너 다이오드 | 정전압 회로에 활용 |
| 기타 | 고전압 소자 설계 시 고려 사항 |
2. 설명
애벌랜치 항복은 재료 내 전하 운반체의 이동으로 인해 발생한다. 반도체에는 자유 전자와 전자 구멍 두 가지 유형의 전하 운반체가 있다. 역방향 바이어스된 다이오드에서 열적 변동이나 여기(excitation)로 인해 생성되는 전자-정공 쌍(엑시톤)이 전기장에 의해 가속된다. 충분히 강한 전기장 하에서 이동하는 전자 또는 정공은 다른 결합된 전자를 튕겨내어 더 많은 자유 전하 운반체를 생성하고, 이러한 과정이 연쇄적으로 반복되어 전류가 급격히 증가한다.
파괴 시 큰 전압 강하와 큰 전류는 필연적으로 열을 발생시킨다. 따라서 역방향 차단 전력 애플리케이션에 배치된 다이오드는 외부 회로에서 큰 전류를 허용하는 경우 파괴될 수 있다. 원칙적으로 애벌랜치 항복은 전자의 통과만 포함하며 결정에 손상을 입힐 필요가 없다. 애벌랜치 다이오드(일반적으로 고전압 제너 다이오드로 알려짐)는 균일한 전압에서 파괴되도록 구성되었으며 파괴 시 전류 집중을 방지한다. 이러한 다이오드는 파괴 시 적당한 수준의 전류를 무기한 유지할 수 있다.
애벌랜치 항복은 전계가 자유 전자를 가속할 만큼 충분히 강할 때 발생한다. 씨앗이 되는 전자가 재료 내의 원자와 충돌하여 충돌 이온화를 일으키고, 그 결과 다른 여러 전자를 자유 전자로 방출하는 과정이 반복되어 자유 전자의 수가 급격하게 증가한다. 이러한 현상은 절연체나 반도체의 고체, 액체, 기체 내에서 발생한다.
이 현상은 애벌랜치 다이오드, 애벌랜치 포토다이오드, 애벌랜치 트랜지스터나 방전관과 같은 특수한 용도의 반도체 장치에서 사용된다. 일반 용도의 다이오드, MOSFET, 트랜지스터에서는 동작 전압에 상한이 있기 때문에, 애벌랜치 항복이 발생하는 전압을 인가할 경우 전류가 급격히 증가하여 소자를 파괴하거나 불안정한 동작을 일으킨다. 고체 절연 재료 내에서 애벌랜치 항복이 발생할 경우, 일반적으로 이는 비가역적인 파괴 현상이 된다. 두 전극 사이 외의 장소에서 발생하는 유사한 현상은 전자 사태라고 불린다. 제너 항복과는 유사한 부분이 존재하지만, 두 현상은 다르다.
2. 1. 항복 전압
애벌랜치 항복이 발생하는 전압을 파괴 전압이라고 한다. 히스테리시스 효과가 있어, 일단 애벌랜치 항복이 발생하면 전압이 파괴 전압 이하로 떨어져도 재료는 계속 전도 상태를 유지한다. 이는 제너 다이오드와는 다르게, 제너 다이오드는 역전압이 파괴 전압 이하로 떨어지면 전도를 중단한다.3. 애벌랜치 과정
전계가 충분히 강하면 자유 전자가 가속되어 애벌랜치 항복이 발생한다. 이 과정은 재료 내 원자와 전자의 충돌 이온화를 통해 더 많은 자유 전자를 생성하며, 연쇄 반응으로 이어진다. 애벌랜치 항복은 절연체나 반도체에서 발생하며, 고체, 액체, 기체 상태 모두에서 나타날 수 있다. 애벌랜치 다이오드, 애벌랜치 포토다이오드, 애벌랜치 트랜지스터, 방전관 등 특수 반도체 소자에 활용된다. 일반 다이오드, MOSFET, 트랜지스터에서는 애벌랜치 항복 전압이 소자 파괴나 불안정한 동작을 유발할 수 있어 동작 전압에 상한이 존재한다.
애벌랜치 항복은 강한 전계에서 전류가 증폭되는 현상으로, 전력 송전 시스템처럼 매우 높은 전압을 사용하거나 반도체처럼 전압은 낮지만 매우 가까운 거리에 전압이 가해질 때 발생한다. 애벌랜치 항복에 필요한 전계 세기는 재료에 따라 다르다.
애벌랜치 항복을 위해서는 자유 전자가 필요하며, 전계 강도가 임계값보다 낮으면 전류는 전자 생성에 의존한다. 애벌랜치 포토다이오드에서는 빛의 입사를 통해 자유 전자를 생성한다.
애벌랜치 항복이 시작되면, 자유 전자는 전계에 의해 매우 빠르게 가속된다. 가속된 전자는 물질 내 원자와 충돌하고, 충분한 에너지를 가진 전자는 충돌 이온화를 일으켜 원자로부터 전자를 분리시켜 자유 전자를 만든다. 이 과정이 반복되면서 자유 전자의 수가 피코초 단위의 짧은 시간 동안 지수 함수적으로 증가한다.
BJT에서 베이스 구동 세기는 애벌랜치 전압에 영향을 미친다. 낮은 임피던스가 베이스에 연결되면 전하가 빠르게 제거되어 애벌랜치 과정이 억제되지만, 높은 임피던스가 연결되면 전하가 베이스에 남아 낮은 전계에서도 애벌랜치가 발생할 수 있다.
4. 용도
애벌랜치 항복은 전류가 외부에서 제한되지 않으면 소자 및 절연체 파괴를 일으킬 수 있다. 그러나 애벌랜치 전류가 외부에서 제한되는 경우에는 여러 용도로 활용 가능하다.
- 애벌랜치 트랜지스터 및 애벌랜치 포토다이오드: 작은 전류를 증폭시켜 소자의 이득을 높이는 데 사용된다. 특히 애벌랜치 포토다이오드에서는 백만 배 이상의 전류 이득을 얻을 수 있다. 또한, 이 현상은 매우 빠르게 발생하며, 애벌랜치 전압이나 전하 변화에 따라 애벌랜치 전류도 빠르게 변하므로, 마이크로파 주파수 대역이나 펄스파 회로에 사용될 수 있다.
- 애벌랜치 다이오드: 전압 보호 회로나 전압 참조 회로에 사용되며, 제너 항복과 함께 사용된다.
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