Lawinendurchbruch

Der Lawinendurchbruch, auch Avalanche-Durchbruch genannt, ist eine der drei Durchbruchsarten bei Halbleiterbauelementen. Unter einem Durchbruch eines p-n-Übergangs versteht man den steilen Anstieg des Stroms bei einer bestimmten Sperrspannung, wenn die Diode in Sperrrichtung gepolt ist. Auslöser des Lawinendurchbruchs ist der Lawineneffekt (auch Avalanche-Effekt, Lawinenvervielfachung oder Trägermultiplikation genannt). Der Lawineneffekt ist ein umkehrbarer oder reversibler Effekt, sofern die zulässige Gesamtverlustleistung des Bauelementes nicht überschritten wird.

Beschreibung

Ladungsträger, die durch ein äußeres elektrisches Feld durch die Raumladungszone bewegt werden, können durch Stoßionisation die Valenzelektronen des Gitters aus ihren Bindungen herausschlagen und so in das Leitungsband anheben. Bei hinreichend großer äußerer Feldstärke haben die Elektronen eine so große Energie, dass sie nach einem Stoß mit den Valenzelektronen nicht nur diese als Ladungsträger verfügbar machen, sondern selbst nicht rekombinieren, weiterhin im Leitungsband verbleiben und nochmals freie Ladungsträger erzeugen können. Dadurch wächst die Anzahl freier Ladungsträger im Leitungsband lawinenartig exponentiell an.

Durch den Dotierungsgrad lässt sich bei Halbleitern die Breite der Raumladungszone und damit die Lawinendurchbruchsspannung ändern. Beim Lawinendurchbruch steigt der Strom im Vergleich zum Zener-Durchbruch sehr abrupt mit der Spannung an. Bei steigender Temperatur setzt der Lawinendurchbruch im Gegensatz zum Zener-Durchbruch erst bei höherer Spannung ein. Im Allgemeinen wirken in der Praxis Zener- und Lawineneffekt gleichzeitig. Die Durchbruchspannungen liegen hierbei im Bereich zwischen etwas unter 6 und 8–10 V.

Funktionell wesentlicher Unterschied ist, dass der Lawinendurchbruch einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, im Gegensatz zum Zener-Durchbruch mit negativen Temperaturkoeffizienten. Durch die Überlagerung und gegenseitige Kompensation beider Effekte lassen sich damit vergleichsweise temperaturstabile Z-Dioden mit Schwellenspannungen im Bereich von 5,5 V herstellen.

Anwendung

Der Avalanche-Effekt wird in folgenden Halbleiter-Bauteilen genutzt:

• Avalanche-Dioden arbeiten mit sehr hoher Sperrspannung und nutzen den Avalanche-Effekt u. a. zur Spannungsstabilisierung und Schwingkreisentdämpfung (IMPATT-Diode), sowie zum Aufbau von Rauschgeneratoren.
• Avalanche-Photodioden nutzen den Avalanche-Effekt zur Verstärkung des Photostromes
• Dioden und Transistoren lassen sich durch ein kontrolliertes Avalanche-Verhalten vor Zerstörung durch Überspannungen schützen
• Z-Dioden mit einer Durchbruchspannung U_Z > 5 V