Durchbruch der Diode
Einleitung
Wird an eine Diode eine Sperrspannung angelegt, fließt (ideal) kein Strom. Wird diese Spannung allerdings erhöht, kommt es irgendwann zum Durchbruch. Grund dafür sind 3 Effekte der Diode.
⇨ Lawinendurchbruch (Avalanche-Effekt)
⇨ Zener-Durchbruch (Tunnel-Durchbruch)
⇨ Thermischer-Durchbruch
Dieser Artikel soll eine Übersicht über alle Effekte, durch welche eine Diode „durchbrechen“ kann, geben. Ausführliche Informationen zu einzelnen Effekten finden sich in den zugehörigen Beiträgen.
Erklärung – Durchbruch
Die Diode kann in Flussrichtung oder in Sperrrichtung betrieben werden.
Bei einer geringen Sperrspannung, zeigt die Diode eine Sperrwirkung. Das bedeutet, dass kein Strom durch die Diode fließen kann.
Ist die Sperrspannung aber zu hoch, kann die Diode durchbrechen. Die Ursache für den Durchbruch können sein:
Lawinendurchbruch (Durchbruch 1. Art)
⇨ Lawinen-Effekt (Avalanche-Effekt): Ladungsträger des Sperrstroms werden stark beschleunigt. Es kommt zur Stoßionisation. (Unten ausführlicher erklärt)
⇨ Zener-Durchbruch (Tunnel-Durchbruch): Elektronen tunneln durch schmale Sperrschicht. (Unten ausführlicher erklärt)
Wärmedurchbruch (Durchbruch 2. Art)
⇨ Thermischer Durchbruch: Thermische Effekte erhöhen Sperrstrom. Es kommt zur Kettenreaktion. (Unten ausführlicher erklärt)
Bei einer höheren Sperrspannung beginnen die Durchbruch-Effekte zu wirken. Der Lawinen-Effekt und der Zener-Effekt treten nebeneinander auf. Beide Effekte treten praktisch gleichzeitig auf. Jedoch überwiegt bei Spannungen unter ungefähr 5,5V der Zener-Effekt und bei Spannungen darüber überwiegt der Lawineneffekt. Beide Effekte sind allerdings temperaturabhängig.
Kennlinie – Durchbruchbereich
Den Durchbruch kann man am besten in der Dioden-Kennlinie sehen. Der Durchbruch ist im untenstehenden Bild markiert. Entsprechend befindet sich dieser beim Anlegen einer negativen Spannung über der Diode. Ab einer bestimmten Spannung (Durchbruchspannung) „bricht“ die Diode durch und es fließt schlagartig ein hoher Strom in Rückwärtsrichtung durch die Diode.
Wie bereits erklärt, unterscheidet man bei der Diode zwischen Flussbereich und Sperrbereich. In der Kennlinie kann aber somit auch der Durchbruchbereich eingezeichnet werden.
Durchbruchspannung
Ab einer bestimmten Sperrspannung wird die sogenannte Durchbruchspannung erreicht. Hier kommt es zum Durchbruch der Diode.
Lawinendurchbruch / Lawineneffekt – (Avalanche-Effekt)
Im Halbleiter kann es passieren, dass freie Elektronen gegen ein, im Halbleiter-Gitter, gebundenes Elektron stoßen.
Normalerweise stellt dies kein Problem dar, denn das freie Elektron stößt dagegen, hierdurch entsteht ein weiteres freies Elektron (Elektron geht vom Valenzband in das Leitungsband über). Dieses hinterlässt aber ein Loch. Das bisher freie Elektron kann dort rekombinieren. Das freie Elektron wird also zu einem freien Elektron.
Ist nun aber die äußere Spannung sehr hoch, „fliegen“ die Elektronen sehr schnell. Ein freies Elektron stößt nun gegen ein gebundenes Elektron (Elektron im Valenzband). Es entsteht ein neues freies Elektron, welches – wie erklärt – ein Loch hinterlässt. Da das ursprüngliche freie Elektronen aber sehr schnell ist, kann es nicht rekombinieren. Aus dem ursprünglich freien Elektron werden so zwei freie Elektronen. Diesen Effekt nennt man Stoßionisation.
Problematisch ist nun, dass die wiederum „freigeschlagenen“ Elektronen nun ebenfalls stark beschleunigt werden und andere Elektronen „herausschlagen“. Dies hat einen namensgebenden Lawinen-Effekt zur Folge.
Zener-Durchbruch / Zener-Effekt – (Tunnel-Durchbruch)
Befindet sich die Diode nun in Sperrrichtung, ist zwischen N- und P-Bereich eine Barriere. Die freien Elektronen (im Leitungsband) der N-dotierten Seite können so nicht zur P-Dotierten Seite fließen.
Damit der Zener-Effekt eintritt, muss einerseits die Dotierkonzentration hoch sein, damit die Sperrschicht dünn ist. Zudem muss eine sehr hohe Sperrspannung anliegen. Diese muss so hoch sein, dass im Bändermodell das Valenzband des P-Bereichs energetisch auf gleicher Höhe wie das Leitungsband des N-Bereichs ist.
Nun kann es zum sogenannten Tunneleffekt kommen.
Dabei handelt es sich um einen Quanten-Mechanischen Effekt.
Die zuvor beschriebenen Voraussetzungen zum Zener-Effekt haben zur Folge, dass die Elektronen aus dem Valenzband des P-Halbleiters durch die Barriere „durchtunneln“ zum N-Halbleiter. Im N-Halbleiter befinden sie sich nun im Leitungsband. Es handelt sich somit um freie Elektronen.
Der Zener-Effekt hat also zur Auswirkung, dass Elektronen aus dem Gitterverbund des P-Halbleiters herausgerissen werden und zu freien Elektronen im N-Halbleiter werden.
Wie auch beim Leckstrom, hat die Sperrspannung zur Folge, dass diese Ladungsträger beschleunigt werden.
Eine konkretere Erklärung hierzu:
⇨ Leckstrom / Sperrstrom
Entsprechend führt der Zener-Effekt zu einem Stromanstieg, obwohl sich die Diode in Sperrrichtung befindet.
Thermischer Durchbruch
Die Diode befindet sich in Sperrrichtung. Nun erhöht sich der Sperrschichttemperatur. Dies hat zur Folge, dass sich der Sperrstrom erhöht.
Liegt nun eine hohe Sperrspannung vor, erzeugt der hohe Sperrstrom und die hohe Sperrspannung eine hohe Verlustleistung. (P = U * I).
Durch die hohe Verlustleistung steigt wiederum die Sperrschichttemperatur an, wodurch wieder der Sperrstrom ansteigt.
Entsprechend schaukeln sich der Sperrstrom und die Sperrschichttemperatur immer weiter an.
Ab einer bestimmten Belastung wird der differentielle Widerstand negativer. Hierdurch wird der oben beschriebene Ablauf noch weiter verstärkt.
Dies führt letztlich zur Zerstörung des Bauelements. Konkret führt es bei einem nicht völlig homogen aufgebauten PN-Übergang zu einer lokalen Überhitzung. Einfach gesagt, brennt die Diode an einem bestimmten Punkt durch.
Der Zerstörung kann aber entgegengewirkt werden, indem der beschriebene Kreislauf unterbrochen wird. Dies kann beispielsweise über eine externe Schaltung erfolgen, welche die Stromstärke begrenzt.