[이론] MOSFET Breakdown voltage: Snapback breakdown

안녕하세요, 소자해커입니다😁

 

이번에는 MOSFET 소자의 불량 특성 중 하나인 Snapback Breakdown에 대해서 살펴 보겠습니다.

 

Snpaback breakdown 이란?

 단어적인 의미를 먼저 살펴보면 "어떤 상태나 상황이 이전 상태로 갑자기 또는 빠르게 돌아간다"는 의미를 가지고 있으며, 반도체 소자 이론에서의 의미는 급증하는 전류에 의해 다시 낮은 전압상태에서도 높은 전류가 흐르게 되는 상태를 말합니다.

MOSFET ID-VD에서의 snapback breakdown

 

발생 원리?

 높은 드레인 전압에 인가되면 MOSFET 내부에(Source-Body-Drain) 형성되어 있는 기생 BJT(N-P-N)에서의 Base(P-Body) 와 Collector(N+-Drain) Junction에서의 Electric Field가 증가하게 되고, 따라서 Avalanche breakdown 또는 Impact Ionization 발생 확률이 높아집니다. 이로인해 높은 기생 베이스 전류를 급격히 발생시키게 되고, 소자에 데미지를 주어 드레인 전압이 낮아지더라도 높은 전류는 발생되는 Snapback breakdown 현상을 보이게 됩니다.

 

(Left) MOFSET에서의 기생 BJT 모식도, (Right) B-C junction에서 발생하는 Impact Ionization 모식도

 

Snapback 현상은 왜 중요할까?

 소자에 영구적인 데미지를 주는 현상으로써 소자의 신뢰성과 수명을 위해 제어되어야하는 효과이다. 물론 소자마다 snapback breakdown 발생 지점(전압 조건)이 다르기 때문에 소자마다 어느정도의 범위에서 해당 현상이 발생되는지를 측정을 통해 아는것이 중요하며, 측정 시 스펙을 만족시키지 못한다면 snapback breakdown을 개선하는 방법을 소자에 적용해야한다.

 

Snapback breadown 개선하는 방법?

 가장 대표적인 방법은 LDD Dose를 증가시켜 기생 BJT의 Base-Collector Junction Field를 줄여주는 것이다. 

 

+Advanced 이론 내용

 ① BJT 동작 전압 4종류

 네가지 동작 전압에서 Active mode일 때 BJT 전류가 흐르게 되고, BC 역전압이 더욱 커지게 되면 앞서 살펴봤던 Snapback Breakdown 현상이 발생하게 된다. (B-C jucntion에서의 Field 증가로 인한 Impact Ionization 발생에 따라 Electron-hole pair 발생 및 Leakage 전류 증가)

	E-B (Emitter-Base) Bias	B-C (Base-Collector) Biase
Saturation	정방향 (Positive bias)	정방향 (Positive Bias)
Active	정방향 (Positive bias)	역방향 (Negative Bias)
Inverted	역방향 (Negative Bias)	정방향 (Positive Bias)
Cut-off	역방향 (Negative Bias)	역방향 (Negative Bias)

 

② Kirk Effect

 사실 Snapback과 Kirk effect는 함께 설명드리는게 맞지만 내용이 길어질 것 같아 다음 포스트에 업데이트 하겠습니다.

(궁금하신 분들은 미리 찾아보셔도 도움 많이 되실겁니다 ^^)

 

③ Punch-through

 앞선 내용에서 다루진 않았지만 사실 기생 BJT에서 Base-Collector(BC) 전압이 커지게 되면 Drain 전압이 커지는 것이므로 P-Body 영역, 즉 Base 영역에서의 Depletion이 줄어들어 Emitter와 Collector의 Depletion이 만나게 되어 Base 전압으로 제어되지 못하는 Punch-through 전류가 발생한다. 이후에 더 큰 전압이 인가되면 Impact ionization에 의한 Avalanche Breakdown 발생하게 되어 Snapback 현상이 나타나게 된다.

Base-Collector 전압(드레인) 증가에 따른 Punch-through 현상 모식도

 

🧡 많이 부족한 글 읽어주셔 감사드립니다.🧡

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