A1 Tunnel- und Panneneffekt (Breakdown)

Thema

Dieser p-n-Übergang, der beidseitig hochdotiert ist und unter Sperrspannung einem sehr hohen elektrischen Feld ausgesetzt wird, blockiert den normalerweise blockierten Sperrstrom nicht mehr. Dies liegt daran, dass das sehr hohe elektrische Feld die Verarmungszone dieses hochdotierten p-n-Übergangs so stark verengt, dass Elektronen gemäß dem Fowler-Nordheim-Mechanismus direkt vom Valenzband ins Leitungsband tunneln, ohne die für einen klassischen Bandsprung benötigte Energie aufbringen zu müssen. Dieser Tunnelstrom von Elektronen zwischen den Bändern stellt den Zener-Durchbruchstrom dieses hochdotierten p-n-Übergangs dar. Ein noch höheres elektrisches Feld an demselben hochdotierten p-n-Übergang verengt die Verarmungszone weiter, wodurch der Zener-Durchbruchstrom rapide ansteigt.

Derselbe p-n-Übergang, der beidseitig schwach dotiert und einem sehr hohen elektrischen Feld in Sperrrichtung ausgesetzt ist, bricht nicht durch den Zener-Durchbruchstrom mittels Tunneleffekt durch, sondern durch Lawinenvervielfachung: In diesem schwach dotierten p-n-Übergang ist die Verarmungszone zu breit, als dass der Band-für-Band-Tunneleffekt signifikant wäre. Das hohe elektrische Feld beschleunigt jedoch die wenigen freien Ladungsträger, die die Verarmungszone durchqueren, so stark, dass jeder dieser beschleunigten Ladungsträger bei einer Kollision durch Stoßionisation ein zusätzliches Elektron-Loch-Paar freisetzt. Diese zusätzlichen Elektron-Loch-Paare werden wiederum durch das hohe elektrische Feld beschleunigt und setzen weitere Elektron-Loch-Paare frei. Die höhere Feldstärke in diesem schwach dotierten p-n-Übergang führt zu einer verstärkten Stoßionisation und somit zu einer größeren Anzahl zusätzlicher Elektron-Loch-Paare bei jeder weiteren Kollision dieser Lawinenvervielfachung.

Dieses Modell, das den Zener-Durchbruchstrom und die Lawinenvervielfachung zur Öffnung des pn-Übergangs berücksichtigt, zeigt, dass beide Mechanismen – deren jeweilige Dominanz von der Dotierung des pn-Übergangs abhängt – gemeinsam die Durchbruchspannung bestimmen. Diese Durchbruchspannung ist das elektrische Feld in Sperrrichtung, das den pn-Übergang nicht mehr blockieren kann. Ein anderes Modell beschreibt dies detaillierter: Ein hochdotierter pn-Übergang erreicht diese Durchbruchspannung durch Tunneln mittels Zener-Durchbruchstrom, während ein niedrigdotierter pn-Übergang sie stattdessen durch Stoßionisation mittels Lawinenvervielfachung erreicht. Da dieser pn-Übergang mittelstark dotiert ist, ohne eindeutig hoch- oder niedrigdotiert zu sein, resultiert die Durchbruchspannung folglich aus einer Kombination beider Mechanismen: dem Zener-Durchbruchstrom und der Lawinenvervielfachung, die gemeinsam und nicht getrennt wirken.

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