Zener- vs. Lawinendurchbruch: Unterschiede im Überblick
Beide sind Durchbruchsphänomene, bei denen der Strom stark ansteigt, wenn an einen PN-Übergang eine hohe Sperrspannung angelegt wird, doch der Mechanismus unterscheidet sich. Der Zener-Durchbruch tritt in hoch dotierten Übergängen mit sehr dünner Sperrschicht auf: Elektronen aus dem Valenzband gelangen durch den Tunneleffekt ins Leitungsband. Der Lawinendurchbruch (Avalanche-Durchbruch) entsteht, wenn durch ein starkes Feld beschleunigte Ladungsträger durch Stoßionisation Elektron-Loch-Paare erzeugen, die sich kettenreaktionsartig vermehren. Bei Silizium dominiert unterhalb von etwa 5 V Durchbruchspannung der Zener-Durchbruch, oberhalb von etwa 6 bis 7 V der Lawinendurchbruch; die Temperaturkoeffizienten haben entgegengesetzte Vorzeichen.
| Merkmal | Zener-Durchbruch | Lawinendurchbruch |
|---|---|---|
| Mechanismus | Tunneleffekt. Elektronen aus dem Valenzband durchtunneln eine dünne Barriere ins Leitungsband | Stoßionisation. Vom Feld beschleunigte Ladungsträger erzeugen neue Elektron-Loch-Paare, die sich kettenreaktionsartig vermehren |
| Dotierung des Übergangs | Auf beiden Seiten sehr hoch | Mindestens eine Seite niedrig. Je niedriger, desto höher die Durchbruchspannung |
| Sperrschichtweite | Sehr dünn (etwa 10 nm oder weniger) | Breit. Eine Strecke zur Beschleunigung der Ladungsträger ist nötig |
| Feldstärke beim Durchbruch (Silizium, Richtwert) | Sehr starkes Feld von etwa 10⁶ V/cm | Etwa 3×10⁵ V/cm (abhängig von der Dotierung) |
| Durchbruchspannung (Silizium, Richtwert) | Etwa 5 V oder weniger. Zwischen etwa 5 V und etwa 6 bis 7 V treten beide gemischt auf | Etwa 6 bis 7 V und mehr. Auch Hochvoltübergänge mit einigen hundert bis einigen tausend V werden durch diesen Durchbruch bestimmt |
| Temperaturkoeffizient der Durchbruchspannung | Negativ. Mit steigender Temperatur schrumpft die Bandlücke, die Durchbruchspannung sinkt | Positiv. Mit steigender Temperatur nimmt die Streuung an Gitterschwingungen zu, die Durchbruchspannung steigt |
| Einsetzen des Durchbruchs | Relativ weich | Scharf |
| Rauschen | Relativ gering | Hohes Rauschen durch die Lawinenvervielfachung |
| Typische Anwendungen | Z-Dioden bis etwa 5 V, Referenzen und Klemmschaltungen für niedrige Spannungen | Z-Dioden ab etwa 6 V, Überspannungsschutzdioden, Avalanche-Fotodioden, SPADs |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.