Lecture Electrical Engineering: Lecture 8 - Dr. Nasim Zafar

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. In this chapter, you will learn about: in the bulk of the diode outside the depletion region, the semiconductor is neutral.

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

Fall Semester – 2012

COMSATS Institute of Information Technology

Virtual campus Islamabad

• 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.

PN Junction Under  Forward­Bias  Condition:

Ø   The pn junction 

excited by a constant­ current source 

supplying a current I in 

the forward direction. 

Ø   The depletion layer  narrows and the barrier 

voltage decreases by V 

volts, which appears as 

an external voltage in  the forward direction.

Ø   Note that the depletion  layer widens and the barrier 

voltage increases by VR 

volts, which appears  between the terminals as a  reverse voltage.

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

Current increases exponentially with applied forward bias voltage, and “saturates” at a relatively small 

negative current level for reverse bias voltages.

p D

p n

A

n i

S S

V

V S D

L N

D L

N

D Aqn

AJ I

e I

2 / 1

“Ideal diode” equation: 

) (

) (

2

0 0

A n

n D

p

p i

n

p n p

n

p s

n L

D n

L

D qAn

L

n

D L

p

D qA I

Independent of voltage

C E

V E

Fn E

qV Fp

E

W

Reverse saturation current  is due 

to  minority  carriers  being  collected  over  a  distance  of  the  order  of  the  diffusion length. 

Ln

Lp

V(voltage)

Ideal Diode I­V characteristic

Real Diode I­V characteristic

Real Diode – Reverse Current

Avalanche Breakdown

• 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

Depletion width larger 

than mean free path  

lots of collisions

Junction Built­In Voltage:

The Junction Built­In Voltage is given as:

Ø  It depends on doping concentration and temperature

o

n

N

N V

V

B BR

D A

D

A BR

BR D

A

D A

S c

BR BR

bi A

bi

N V

N N

N

N V

V N

N

N

N K

q E

V V

V V

V

1

2

0 2

One-sided junctions

dx J

J n n n dx

n

J

dx J

J p n n J p

Impact ionization initiated by electrons.

dx J

J n p p dx

n

J

dx J

J p p p J p

Impact ionization initiated by holes.

.

0 ,

0

const J

J J

dx

dJ dx

dJ

dx

dJ dx

dJ

p n

p n

p n

­  

Multiplication factors for electrons and holes:

) (

) 0

( ,

) 0 (

)

(

W J

J M

J

W

J M

p

p p

n n

Zener Breakdown

• Zener  breakdown  occurs  in  heavily  doped  p­n junctions,  with a tunneling mechanism.

• The heavy doping makes the depletion layer  extremely thin. So thin in fact, 

carriers  cannot  accelerate  enough  to  cause 

CB  on the  n­side  

• The  temperature  coefficient  of  the  Zener  mechanism  is  negative,  the  breakdown  voltage for a particular diode decreases with  increasing temperature.

Zener Breakdown Mechanism:

x h+

Ec

Ec Ev

• Tunneling breakdown occurs in heavily­doped p­n 

junctions in which the depletion region width W is about 10  nm.

EC

EV

EF

p

Barrier must be thin: depletion is  narrow  doping on both sides must be  large

Must have empty states to tunnel into   

Vbi + VBR > EG/q

2

1 0

2

appl bi

A D

D A

N N

N

N q

K W

Zener test current

Maximum Zener current

Zener Diode Characteristics:

•The breakdown characteristics of diodes can be tailored     by controlling the doping concentration

D ZM

Z

P I

V

Summary