Warum ist die Zener-Spannung geringer als die Lawinenspannung?

Zener-Spannung und Lawinenspannung sind zwei verschiedene Durchbruchmechanismen in Halbleiterbauelementen, insbesondere in Dioden. Die durch diese beiden Mechanismen verursachte Durchbruchsspannung ist unterschiedlich, hauptsächlich aufgrund ihrer verschiedenen physikalischen Mechanismen und Auftretensbedingungen.

Zener-Durchbruch

Der Zener-Durchbruch tritt in einer umgepolten PN-Schicht auf, und wenn die angewandte umgekehrte Spannung hoch genug ist, reicht die elektrische Feldstärke in der PN-Schicht aus, um den Elektronen im Valenzband genügend Energie zu geben, um in das Leitungsbänder zu wechseln und ein Elektron-Loch-Paar zu bilden. Dieser Prozess tritt hauptsächlich in dünnen Schichten von Halbleitermaterialien auf, insbesondere in PN-Schichten mit hoher Dotierungskonzentration.

Eigenschaften

• Auftretensbedingung: In PN-Schichten mit hoher Dotierungskonzentration ist die elektrische Feldstärke stark, was leicht zu einem Elektronenübergang führt.

• Durchbruchsspannung: Tritt normalerweise bei niedrigeren Spannungsniveaus auf, zwischen etwa 2,5 V und 5,6 V.

• Temperaturkoeffizient: Negativer Temperaturkoeffizient, was bedeutet, dass die Durchbruchsspannung mit steigender Temperatur abnimmt.

Lawinen-Durchbruch

Der Lawinen-Durchbruch tritt ebenfalls in umgepolten PN-Schichten auf, aber es handelt sich dabei um einen Kollisionsionisationsprozess. Wenn die angewandte umgekehrte Spannung einen bestimmten Wert erreicht, beschleunigt das starke elektrische Feld die freien Elektronen auf eine hinreichend hohe kinetische Energie, um mit den Atomen im Gitter zu kollidieren und neue Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Diese neu entstandenen Elektron-Loch-Paare kollidieren weiterhin, wodurch eine Kettenreaktion entsteht, die letztendlich zu einem starken Anstieg des Stroms führt.

Eigenschaften

• Auftretensbedingung: In PN-Schichten mit geringer Dotierungskonzentration ist die elektrische Feldstärke schwach, und es wird eine höhere Spannung benötigt, um den Lawinen-Effekt auszulösen.

• Durchbruchsspannung: Tritt normalerweise bei hohen Spannungsniveaus auf, etwa 5 V oder mehr, je nach Material und Dotierungskonzentration.

• Temperaturkoeffizient: Positiver Temperaturkoeffizient, was bedeutet, dass die Durchbruchsspannung mit steigender Temperatur zunimmt.

Die Hauptgründe, warum die Zener-Durchbruchsspannung geringer ist als die Lawinen-Durchbruchsspannung, sind folgende:

• Dotierungskonzentration: Der Zener-Durchbruch tritt normalerweise in PN-Schichten mit hoher Dotierungskonzentration auf, während der Lawinen-Durchbruch in PN-Schichten mit geringer Dotierungskonzentration auftritt. Die hohe Dotierungskonzentration bedeutet, dass bei einer niedrigen angewandten Spannung eine ausreichende elektrische Feldstärke erreicht werden kann, sodass die Elektronen im Valenzband genügend Energie erhalten, um in das Leitungsbänder zu wechseln. Im Gegensatz dazu erfordern PN-Schichten mit geringer Dotierungskonzentration höhere angewandte Spannungen, um die gleiche elektrische Feldstärke zu erreichen.

• Elektrische Feldstärke: Der Zener-Durchbruch beruht hauptsächlich auf Elektronenübergängen, die durch lokale starke elektrische Felder verursacht werden, während der Lawinen-Durchbruch auf elektrischen Feldstärken beruht, die gleichmäßig über die gesamte PN-Schicht verteilt sind. Daher erfordert der Lawinen-Durchbruch eine höhere Spannung, um einen ausreichenden Ionisations-Effekt zu erzeugen.

• Material Eigenschaften: Der Zener-Durchbruch tritt hauptsächlich in bestimmten Materialien (wie Silizium) auf und ist mit dem Energieabstand des Materials verbunden. Der Lawinen-Durchbruch hängt stärker von den physikalischen Eigenschaften des Materials ab, wie Breite des Bandabstands und Trägermobilität.

Zusammenfassung

Zener-Durchbruch und Lawinen-Durchbruch sind zwei verschiedene Durchbruchmechanismen, die unter verschiedenen Bedingungen auftreten und unterschiedliche Temperaturkoeffizienten haben. Die Zener-Durchbruchsspannung ist normalerweise geringer als die Lawinen-Durchbruchsspannung, da der Zener-Durchbruch in PN-Schichten mit hoher Dotierungskonzentration auftritt, während der Lawinen-Durchbruch in PN-Schichten mit geringer Dotierungskonzentration auftritt. Der erstere erfordert eine niedrige angewandte Spannung, um eine ausreichende elektrische Feldstärke zu erreichen, während der letztere eine hohe Spannung erfordert, um den Ionisations-Effekt zu erzeugen.