Lecture Electrical Engineering: Lecture 8 - Dr. Nasim Zafar

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

Dr. Nasim Zafar
Electronics 1
EEE 231 – BS Electrical Engineering
Fall Semester – 2012


Junction Break Down

Lecture No: 8
v

 Breakdown Characteristics

     * Zener Breakdown
      * Avalanche Breakdown

Kwangwoon

University

Semiconductor device lab.
Semiconductor Devices.


Introduction:

•

•

Under normal operation of a diode, an applied reverse bias 
(voltage)  will  result  in  a  small  current  flow  through  the 
device. 
However,  at  a  particular  high  voltage,  which  is  called 
breakdown  voltage  VBD,  large  currents  start  to  flow.  If 
there  is  no  current  limiting  resistor,  which  is  connected  in 
series  to  the  diode,  the  diode  will  be  destroyed.  There  are 
two physical effects which cause this breakdown.


Breakdown Mechanism:

•

•

Zener Effect
Ø

 Occurs in heavily doping semiconductor

Ø

 Breakdown voltage is less than 5V

Ø

 Carriers generated by electric field­­­field ionization

Ø

 TC is negative

Avalanche Effect 
Ø

 Occurs in slightly doping semiconductor

Ø

 Breakdown voltage is more than 7V

Ø

4


PN Junction Under Forward­Bias Condition:

Ø

Ø

  The pn junction 
excited by a constant­
current source 
supplying a current I in 

the forward direction. 
  The depletion layer 
narrows and the barrier 
voltage decreases by V 
volts, which appears as 
an external voltage in 
the forward direction.

5


 PN Junction Under Reverse­Bias Condition:

Ø

Ø

Ø

Nasim Zafar

  The pn junction excited by 
a constant­current source I  
in the reverse direction. 
  To avoid breakdown, I  is 
kept smaller than IS. 
  Note that the depletion 
layer widens and the barrier 
voltage increases by VR 
volts, which appears 

between the terminals as a 
reverse voltage.

5


I­V Characteristic of a PN Junction:
As the reverse bias voltage increases, the electric 
field in the depletion region increases.  Eventually, it 
can become large enough to cause the junction to 
break down so that a large reverse current flows:

breakdown voltage


I­V Characteristic of a PN Junction:

Current increases exponentially with applied forward 
bias voltage, and “saturates” at a relatively small 
negative current level for reverse bias voltages.
“Ideal diode” equation: 

ID
IS

I S eVD / VT 1
AJ S

Dn
Aqn

N A Ln
2
i

Dp
N D Lp


PN Junction Under Reverse­Bias Condition:

I­V characteristic equation:

i

Is

Independent of voltage

Where Is is the saturation current, it is proportional to ni2 
which is a strong function of temperature.
D p pn 0 Dn n p 0
I s qA(
)
Lp
Ln
Dp

2

qAni (

L p nD

Nasim Zafar

Dn
)
Ln n A
6


Breakdown Voltage VBD
    One can determine which mechanism is responsible for the 
breakdown based on the value of the breakdown voltage VBD :
v  VBD < 5 V      Tunneling Breakdown
v  VBD > 6V        Avalanche Breakdown
v  4V  < VBD < 6V     both tunneling and 
       avalanche mechanisms are responsible


Energy Band Diagram of a PN Junction
W
EC

qV
E Fp
EV

E Fn

Origin of Current Flow
Reverse bias:

Forward bias:
W
EC

Ln

q Vbi V
qV

E Fp

EC

E Fn

qV

q Vbi

E Fp
EV

V

E Fn

EV

Lp
W

Reverse  saturation  current  is  due 
to  minority  carriers  being  collected 
over  a  distance  of  the  order  of  the 
diffusion length. 


Reverse Saturation Current
The  flow  of  these  minorities  produces  the  reverse  saturation 
current but it is independent of applied reverse voltage.

I(current)
Forward Bias

Vb

I0

V(voltage)
VB ; Breakdown voltage
I0  ; Reverse saturation current

Reverse Bias
Drift current

Ideal Diode I­V characteristic


Real Diode I­V characteristic


Real Diode – Reverse Current


What’s wrong with this picture?

  Reverse Bias:
–

Current ~103 times larger than FB I0

–

Reverse current doesn’t saturate

–

Breakdown – large current above VBbd


Avalanche Breakdown


Avalanche Breakdown:
•

Avalanche  breakdown  mechanism  occurs  when 

electrons and holes moving through the depletion region 
of  a  reverse  biased  PN  junction,  acquire  sufficient 
energy from the electric field to break a bonds i.e. create 
electron­hole  pairs  by  colliding  with  atomic  electrons 
within  the  depletion  region.  The  electric  field  in  the 
depletion region of a diode can be very high.
 
•

The  newly  created  electrons  and  holes  move  in 
opposite  directions  due  to  the  electric  field  present 
within  the  depletion  region  and  thereby  add  to  the 
existing  reverse  bias  current.  This  is  the  most 
important breakdown mechanism in PN junction.


Avalanche Breakdown
v

Impact Ionization Mechanism

Mechanism

In(w) = M * 
Ino

Total current during 

avalanche multiplication


Energy Band diagram; Avalanche Breakdown:

Depletion width larger 
than mean free path  
lots of collisions


Junction Built­In Voltage:

The Junction Built­In Voltage is given as:

Vo

N AND
VT ln
2
ni

Ø  It depends on doping concentration and 

temperature

Ø Its TC is negative.

22

        Junction Parameters:
Vbi
Ec

VA

VBR

VBR

N A ND
2q
KS 0 NA
ND

2

VBR

VBR

Vbi

1
NB

NA
ND
N A ND

One-sided junctions

VBR


Current Density of an Avalanche Process:
Jn
Jp

dx

Jn

n J n dx

Jp

n J n dx

Impact ionization initiated by electrons.

Jn
Jp

p J p dx

dx

Jn

p J p dx

Jp

Impact ionization initiated by holes.

dJ p
dJ n
0, 
dx
dx
dJ p
dJ n
  ­
dx
dx
J

Jn

Jp

0

const.

Multiplication factors for
electrons and holes:
Mn

J n (W )
,  M p
J n ( 0)

J p ( 0)
J p (W )


Zener Breakdown