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Avalanche-Diode-Definition

Eine Avalanche-Diode ist eine Art von Halbleiterdiode, die so konstruiert ist, dass sie bei einer bestimmten Rückwärts-Spannung einen Avalanche-Zerfall erlebt. Die pn-Schicht der Avalanche-Diode ist so gestaltet, dass sie Stromkonzentrationen und daraus resultierende heiße Stellen verhindert, sodass die Diode durch den Avalanche-Zerfall nicht beschädigt wird.

Der einsetzende Avalanche-Zerfall ist auf Minderheitsladungsträger zurückzuführen, die genug beschleunigt werden, um Ionisierung im Kristallgitter zu erzeugen und somit mehr Ladungsträger zu produzieren, die ihrerseits weitere Ionisierung hervorrufen. Da der Avalanche-Zerfall gleichmäßig über die gesamte Schicht verteilt ist, bleibt die Zerfallsspannung bei wechselndem Strom nahezu konstant im Vergleich zu einer Nicht-Avalanche-Diode.

Die Konstruktion der Avalanche-Diode ähnelt der des Zener-Dioden, und tatsächlich sind sowohl Zener-Zerfall als auch Avalanche-Zerfall in diesen Dioden vorhanden. Avalanche-Dioden sind für Avalanche-Zerfall-Bedingungen optimiert, weshalb sie unter Zerfallbedingungen einen geringen, aber signifikanten Spannungsabfall aufweisen, im Gegensatz zu Zener-Dioden, die immer eine höhere Spannung als den Zerfall aufrechterhalten.

Diese Eigenschaft bietet besseren Überspannungsschutz als eine einfache Zener-Diode und verhält sich eher wie ein Ersatz für Gasentladungsröhren. Avalanche-Dioden haben einen kleinen positiven Temperaturkoeffizienten der Spannung, während Dioden, die auf den Zener-Effekt angewiesen sind, einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen.

Eine normale Diode erlaubt einen elektrischen Strom in eine Richtung, also in Vorwärtsrichtung. Eine Avalanche-Diode dagegen erlaubt den Strom in beide Richtungen, also in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, ist aber speziell darauf ausgelegt, in Rückwärts-Polarisation zu arbeiten.

Funktionsprinzip

Die Avalanche-Diode arbeitet nach dem Prinzip des Avalanche-Zerfalls, bei dem beschleunigte Ladungsträger genug Energie gewinnen, um andere Atome zu ionisieren und somit eine Kettenreaktion auszulösen, die den Stromfluss erheblich erhöht.

Rückwärts-Polarisations-Konfiguration

Bei Rückwärts-Polarisation wird die N-Region (Kathode) der Diode mit dem positiven Pol der Batterie verbunden und die P-Region (Anode) mit dem negativen Pol.

Wenn eine Diode leicht dotiert ist (d.h. die Konzentration an Verunreinigungen ist gering), dann wird die Breite der Depletionszone erhöht, sodass der Zerfall bei einer sehr hohen Spannung eintritt.

Bei sehr hoher Rückwärts-Spannung wird das elektrische Feld in der Depletionszone stark, und es erreicht einen Punkt, an dem die Beschleunigung der Minderheitsladungsträger so groß ist, dass sie beim Zusammenstoß mit den Halbleiteratomen in der Depletionszone kovalente Bindungen brechen.

Dieser Prozess erzeugt Elektron-Loch-Paare, die durch das elektrische Feld beschleunigt werden, was weitere Kollisionen und eine weitere Erhöhung der Anzahl der Ladungsträger verursacht – ein Phänomen, das als Ladungsträgervermehrung bekannt ist.

Dieser kontinuierliche Prozess erhöht den Rückwärts-Strom in der Diode, und daher kommt die Diode in den Zerfall. Dieser Typ von Zerfall wird als Avalanche- (Flut-)Zerfall bezeichnet, und dieser Effekt wird als Avalanche-Effekt bekannt.

Anwendungen

• Die Avalanche-Diode wird zur Schutzschaltung verwendet. Wenn die Rückwärts-Spannung bis zu einem bestimmten Limit steigt, beginnt die Diode an einer bestimmten Spannung den Avalanche-Effekt, und die Diode bricht durch den Avalanche-Effekt zusammen.

• Sie wird verwendet, um die Schaltung vor unerwünschten Spannungen zu schützen.

• Sie wird in Überspannungsschutzvorrichtungen eingesetzt, um die Schaltung vor Überspannungsspitzen zu schützen.