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Lawinendurchbruch

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Der Lawinendurchbruch, auch Avalanchedurchbruch genannt, ist einer 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 Avalancheeffekt, Lawinenvervielfachung oder Trägermultiplikation genannt). Der Lawineneffekt ist ein umkehrbarer oder reversibler Effekt.

Bei sehr großen elektrischen Feldern können Ladungsträger (Elektronen oder Löcher), die sich durch die Raumladungszone bewegen, zwischen zwei Stößen soviel Energie aus dem elektrischen Feld gewinnen, dass sie beim Stoß mit dem Gitter Valenzelektronen aus den Gitterbindungen herausschlagen (in das Leitungsband anheben) können (Stoßionisation) und danach noch genug Energie besitzen, um nicht zu rekombinieren, sich also weiterhin im Leitungsband befinden. Dadurch werden neue Elektron-Loch-Paare erzeugt (Generationsmechanismus), ohne, dass die alten verschwinden. So wächst die Anzahl der Ladungsträger stark (exponentiell) an.

Beim Lawinendurchbruch steigt der Strom im Vergleich zum Zenerdurchbruch sehr abrupt mit der Spannung an. Bei steigender Temperatur setzt der Lawinendurchbruch im Gegensatz zum Zenerdurchbruch 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.

Bei hoher Dotierung der Halbleiter ist die Raumladungszone sehr schmal (typisch 1 µm), daher setzt hier der Lawinendurchbruch erst bei höheren Spannungen ein.

Anwendung

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

Avalanche-Fotodioden arbeiten mit sehr hoher Sperrspannung und nutzen den Avalanche-Effekt zur Verstärkung des Fotostromes
Dioden und Transistoren lassen sich durch ein kontrolliertes Avalanche-Verhalten vor Zerstörung durch Überspannungen schützen
Z-Dioden mit einer Durchbruchspannung U_Z > 5 V