Lawinen-Effekt
Erklärung: Lawinen-Effekt
Der sogenannte Lawinen-Effekt tritt also auf, wenn man die Diode in Sperrrichtung betreibt. Liegt hier eine Sperrspannung mit gewisser Höhe vor, kommt es zum Lawineneffekt. Dies kann auch in der Kennlinie der Diode beobachtet werden. Grundlegend basiert der Lawinen-Effekt auf der sogenannten Stoßionisation.
Erklärung: Stoßionisation
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.
Folgen einer Stoßionisation / Lawinen-Effekt
Wie bereits erklärt, werden durch die Stoßionisation sehr viele Elektronen freigesetzt.
Es kommt zu einem plötzlichen starken Anstieg des Stromes.
Dieser Effekt ist auch in der Kennlinie zu erkennen.
Kennlinie
Die beiden Betriebsarten der Diode lassen sich auch in der Kennlinie erkennen. Man unterscheidet zwischen Flussbereich und Sperrbereich.
Der Sperrbereich befindet sich im 3. Quadranten des Diagramms.
Bei niedriger negativer Spannung fließt ein geringer Leckstrom. Dieser ist aber über einen bestimmten Größenraum konstant.
⇨ Leckstrom / Sperrstrom
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.
Woher kommen die ursprünglichen Elektronen?
Wie bereits erklärt, tritt der Lawinen-Effekt bei der Diode in Sperrrichtung auf. Nun wissen wir bereits, dass im Sperrbereich alle Majoritätsladungsträger aus der Diode „herausgesaugt“ wurden.
⇨ Diode in Sperrrichtung
Allerdings fließt ein geringer Strom, der sogenannte Sperrstrom.
⇨ Leckstrom / Sperrstrom
Dieser kann den Auslöser für den Lawinen-Effekt darstellen.
Voraussetzungen Lawinen-Effekt
Zusammengefasst benötigt man für den Lawinen-Effekt:
– Eine hohe Feldstärke (um die Elektronen stark zu beschleunigen)
– Eine Weite Raumladungszone und somit eine geringe Dotierung
Dotierungskonzentration Lawinen-Effekt
Neben der hohen Spannung / Feldstärke benötigt der Lawinen-Effekt eine ausreichend große Sperrschichtweite. Dies ist erforderlich, damit die Elektronen beim Durchqueren genügend Energie aufnehmen können.
Ähnlich wie ein Auto welches beschleunigen möchte. Wäre die Straße nur 5m ist es schwer 100km/h zu erreichen. Ist die Straße aber 10km ist dies möglich.
Widerspruch der Voraussetzung für den Lawinen-Effekt
Die Voraussetzungen führen zu einem Widerspruch. Eine starke Dotierung führt zu einer hohen Diffusionsspannung (Voraussetzung für Lawinen-Effekt) allerdings sinkt so auch die Sperrschichtweite.
Warum nur innerhalb der Sperrschicht?
Um diese Frage zu beantworten, muss sich angeschaut werden, wo genau ein elektrisches Feld im PN-Übergang vorhanden ist.
Beim PN-Übergang treten grundsätzlich 2 Spannungen auf. Die Diffusionsspannung, welche dem Diffusionsstrom entgegenwirkt und die von außen angelegte Spannung.
Befindet sich die Diode in Sperrrichtung, wird die Diffusionsspannung durch die Sperrspannung bestärkt.
Die Spannungen fallen über der Sperrschicht ab.
Das bedeutet, dass das elektrische Feld zwischen beiden neutralen Zonen über der Sperrschicht wirkt.
Hier werden die Elektronen beschleunigt.
Warum nur in Sperrrichtung?
Kurz gesagt, ist es dem Elektron im Sperrbereich möglich eine hohe Geschwindigkeit durch die Raumladungszone aufzunehmen. Befindet sich die Diode in Flussrichtung, ist keine Raumladungszone vorhanden und somit auch kein Bereich in welchem das Elektron beschleunigt. Bevor es hier das Elektron schnell wird, trifft es auch ein anderes Elektron. D.h. der Lawinen-Effekt kommt nicht zu Stande.
Reversibler Effekt? Lawineneffekt
Der Lawinen-Effekt zerstört die Diode nicht. Es handelt sich also um einen reversiblen Effekt (umkehrbaren Effekt). Durch den Lawinen-Effekt werden im N-Bereich viele freie Löcher erzeugt. Durch Anlegen einer Spannung in Flussrichtung können diese wieder mit Elektronen gefüllt werden.
Natürlich kann der Lawineneffekt nur rückgängig gemacht werden, wenn die Verlustleistungsgrenzen eingehalten werden. Wenn diese überschritten werden, tritt der thermische Durchbruch ein, welcher zur Zerstörung der Diode führt, was wiederum irreversibel – also nicht rückgängig machbar – ist.
⇨ Thermischer Durchbruch
Temperaturkoeffizient beim Lawineneffekt
Der Lawinen-Effekt hat einen positiven Temperaturkoeffizienten. Das bedeutet, die Durchbruchspannung steigt mit steigender Temperatur. Somit muss bei hoher Temperatur eine vergleichsweise hohe Spannung anliegen, damit der Lawineneffekt eintritt. Bei einer niedrigen Temperatur tritt er bereits bei geringeren Spannungen ein.
Allgemein hängt bei dem Lawineneffekt die Durchbruchspannung von der Dotierkonzentration ab. Je nachdem, wie diese gewählt ist, ist auch der Temperaturkoeffizient unterschiedlich. Somit hat die Temperatur zwar Einfluss auf die Durchbruchspannung, die Durchbruchspannung aber auch Einfluss auf den Temperaturkoeffizienten.
Beispielsweise hat eine Diode mit einer Durchbruchspannung von 8,2 V einen Temperaturkoeffizienten von 3 mV/K bis 6 mV/K.
Bei einer Diode mit einer Durchbruchspannung von 18 V liegt der Temperaturkoeffizient bei 12–18 mV/K
Beim Zener-Effekt hat die Durchbruchspannung keinen Einfluss auf den Temperaturkoeffizienten.