Lawinendurchbruch

Elektronik Physik Dioden

Weiter geht's mit dem zweiten wichtigen Durchbruchseffekt bei Zenerdioden: dem Lawinendurchbruch.

Lawinendurchbruch

Es gibt zwei bedeutende Durchbruchseffekte bei Zenerdioden: den Zener-Effekt und den Lawinendurchbruch. Heute wollen wir uns mit letzterem näher befassen.

Der Lawinendurchbruch ist besonders wichtig für Zenerdioden mit Durchbruchsspannungen über 5 V. Er ist daran zu erkennen, dass die Leitfähigkeit stark ansteigt, sobald die Durchbruchsspannung überschritten wird. Dies ist in der I-U-Kurve gut zu erkennen. Hier scheint etwas Drastisches zu passieren. Lass uns den zugrunde liegenden physikalischen Prozess verstehen, der nicht nur für Zenerdioden relevant ist, sondern auch darüber hinaus Bedeutung hat. Bist du bereit, mehr zu erfahren?

Der Lawinendurchbruch zeigt sich in einer steilen I-U-Kurve für Zenerdioden mit einer Durchbruchsspannung von über 5 V

Disclaimer: Ich bin kein Physiker und Halbleiter sind ein extrem kompliziertes Thema. Ich kann nicht für die Richtigkeit meiner Erklärungen garantieren. Zum leichteren Verständnis werden eventuell einige Details ausgelassen oder stark vereinfacht dargestellt. Wenn du der Meinung bist, dass Teile dieses Artikels korrigiert werden sollten, dann schreib mir eine E-Mail an feedback@devxplained.eu.

Wie funktioniert er?

Glücklicherweise ist der Lawinendurchbruch und der zugrunde liegende physikalische Prozess viel einfacher zu verstehen als der Zener-Effekt. Ähnlich wie der Zener-Effekt wird der Lawinendurchbruch durch hohe elektrische Feldstärken verursacht. Der zugrunde liegende physikalische Effekt ist jedoch ein anderer: die Stoßionisation. Schauen wir uns an, was das ist.

Stoßionisation

Auch ohne von außen angelegte Felder können sich Elektronen im Halbleitermaterial bewegen, was z.B. durch thermische Energie verursacht wird. Sie stoßen zufällig mit anderen Elektronen zusammen und geben dabei einen Teil ihrer kinetischen Energie an diese ab. Es ist ein ständiger Prozess des Zusammenstoßes von Elektronen untereinander, ein ständiges Hin und Her von Anregung und Relaxation.

Hohe elektrische Feldstärken bedeuten immer auch hohe Beschleunigungskräfte, die auf die elektrisch geladene Teilchen, wie z.B. Elektronen wirken. Interessant wird es, wenn die kinetische Energie der Elektronen einen bestimmten Wert überschreitet. Wenn sie dann auf ein anderes Elektron treffen, verlieren sie nicht nur einen Teil ihrer Energie an dieses, sondern setzen neue Ladungsträger frei.

Man nennt diesen Vorgang Stoßionisation, wobei Ionisation lediglich ein anderer Begriff für die Entstehung neuer Ladungsträger in einem Atom ist. Die folgende Abbildung veranschaulicht den lonisationsprozess. Durch das kollidierende Elektron verliert das Atom eines seiner Elektronen und wird selbst zu einem positiv geladenen Ion. Da wir hier über Halbleiter sprechen, können wir stattdessen auch sagen: Durch das kollidierende Elektron entstehen im Halbleitermaterial ein zusätzliches freies Elektron und ein neues Elektronenloch.

Stoßionisation visualisiert im Bohr-Modell

Von der Stoßionisation zum Lawineneffekt

Was geschieht mit diesen neu erzeugten Ladungsträgern? Nun, sie werden ebenso durch das elektrische Feld beschleunigt und beginnen mit Elektronen in anderen Atomen zusammenzustoßen, wo sie wiederum eine Stoßionisation verursachen können. Dies führt zu einer Kettenreaktion, dem sogenannten Lawineneffekt. Die Zahl der freien Ladungsträger steigt exponentiell an, und das Material wir zunehmend leitfähiger.

Eine Kettenreaktion wird ausgelöst: der Lawineneffekt

Lawinendurchbruch in Dioden

Wenn wir uns die Funktionsweise von Dioden ansehen, können wir leicht erkennen, wie der Lawineneffekt zum Durchbruch ihrer internen Potenzialbarriere führt. In Sperrrichtung gepolte Dioden können nicht leiten, weil es in der Verarmungszone keine Majoritätsladungsträger gibt. Aufgrund der wenigen Minderheitsladungsträger kann nur ein geringer Leckstrom fließen. Diese wenigen Minoritätsladungsträger können jedoch, sobald die Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, andere Atome innerhalb der Verarmungszone ionisieren. Plötzlich gibt es viele freie Ladungsträger und die Diode beginnt zu leiten. Der so genannte Lawinendurchbruch ist eingetreten.

In Dioden verursachen freie Minoritätsladungsträger einen Lawinendurchbruch, sobald eine bestimmte Schwellenspannung überschritten wird

Der Lawinendurchbruch betrifft nicht nur Zenerdioden, sondern auch viele andere Halbleiterbauelemente wie herkömmliche Dioden, Transistoren oder MOSFETs. Das Einzige, was eine Lawinendiode von einer normalen Diode unterscheidet, ist, dass die Durchbruchsspannung in der Regel niedriger und gut bekannt ist.

Der Effekt kann aber auch in Isolatoren auftreten, wenn auch hoffentlich erst bei viel höheren Spannungen. Darüber hinaus gibt es viele weitere physikalische Effekte, die ihre Ursache in der Stoßionisation und einem Lawineneffekt haben. Um nur einige Beispiele zu nennen, sprechen wir über Dinge wie Gasentladungen, elektrische Funken und sogar Blitzschläge. Es gibt also noch viel mehr zu entdecken, wenn du das möchtest.

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