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.

MerkmalZener-DurchbruchLawinendurchbruch
MechanismusTunneleffekt. Elektronen aus dem Valenzband durchtunneln eine dünne Barriere ins LeitungsbandStoßionisation. Vom Feld beschleunigte Ladungsträger erzeugen neue Elektron-Loch-Paare, die sich kettenreaktionsartig vermehren
Dotierung des ÜbergangsAuf beiden Seiten sehr hochMindestens eine Seite niedrig. Je niedriger, desto höher die Durchbruchspannung
SperrschichtweiteSehr 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/cmEtwa 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 aufEtwa 6 bis 7 V und mehr. Auch Hochvoltübergänge mit einigen hundert bis einigen tausend V werden durch diesen Durchbruch bestimmt
Temperaturkoeffizient der DurchbruchspannungNegativ. Mit steigender Temperatur schrumpft die Bandlücke, die Durchbruchspannung sinktPositiv. Mit steigender Temperatur nimmt die Streuung an Gitterschwingungen zu, die Durchbruchspannung steigt
Einsetzen des DurchbruchsRelativ weichScharf
RauschenRelativ geringHohes Rauschen durch die Lawinenvervielfachung
Typische AnwendungenZ-Dioden bis etwa 5 V, Referenzen und Klemmschaltungen für niedrige SpannungenZ-Dioden ab etwa 6 V, Überspannungsschutzdioden, Avalanche-Fotodioden, SPADs

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Zener-Durchbruch
Wenn eine Spannung auf niedrigem Niveau von etwa 5 V oder weniger stabilisiert werden soll. Eingesetzt in Niedervolt-Z-Dioden und Klemmschaltungen, die Eingangsspannungen begrenzen.
Lawinendurchbruch
Für konstante Spannungen ab etwa 6 V oder zum Schutz von Schaltungen vor Überspannungsimpulsen. Avalanche-Fotodioden und SPADs, die Licht durch Vervielfachung detektieren, nutzen diesen Durchbruch gezielt. Bei Leistungsbauelementen wird er als das Phänomen ausgelegt, das die Sperrspannung bestimmt.
Kombination
Bei Z-Dioden mit einer Durchbruchspannung von etwa 5 bis 6 V heben sich der negative Temperaturkoeffizient des Zener-Durchbruchs und der positive des Lawinendurchbruchs auf, sodass sich die Spannung mit der Temperatur kaum ändert. Wird eine temperaturstabile Referenzspannung benötigt, wählt man Typen in diesem Bereich oder temperaturkompensierte Ausführungen.

Häufige Fragen

Nutzen alle Z-Dioden den Zener-Durchbruch?

Nein. Spannungsstabilisierende Dioden werden üblicherweise Zener-Dioden genannt, doch Silizium-Typen ab etwa 6 bis 7 V nutzen überwiegend den Lawinendurchbruch. Der Zener-Durchbruch durch den Tunneleffekt dominiert nur bei Typen für niedrige Spannungen von etwa 5 V oder weniger.

Warum haben die Temperaturkoeffizienten entgegengesetzte Vorzeichen?

Beim Zener-Durchbruch schrumpft mit steigender Temperatur die Bandlücke, der Tunneleffekt tritt leichter auf und die Durchbruchspannung sinkt. Beim Lawinendurchbruch nimmt mit steigender Temperatur die Streuung an Gitterschwingungen zu, sodass Ladungsträger schwerer auf die für Stoßionisation nötige Energie beschleunigt werden, und die Durchbruchspannung steigt.

Wird eine Diode durch den Durchbruch zerstört?

Keiner der beiden Durchbrüche zerstört den Übergang an sich; wird der Strom begrenzt, kehrt die Diode in den Ausgangszustand zurück. Zerstört wird sie erst, wenn die Erwärmung durch Strom und Spannung während des Durchbruchs zu groß ist. In Spannungsstabilisierungen begrenzt ein Widerstand in Reihe zur Diode den Strom.

Wie wird der Lawinendurchbruch bei Leistungsbauelementen behandelt?

Die Sperrspannung von Leistungs-MOSFETs und -Dioden wird hauptsächlich durch die Spannung bestimmt, bei der der Lawinendurchbruch einsetzt. Eine niedriger dotierte und dickere Driftschicht erhöht die Sperrspannung, aber auch den Durchlasswiderstand. Etwa beim Abschalten induktiver Lasten kann das Bauelement in den Durchbruchbereich geraten; die dabei verkraftbare Energie wird als Avalanche-Festigkeit spezifiziert.

Verständnis prüfen

Welches Phänomen nutzen Z-Dioden (Spannungsstabilisierungsdioden) hauptsächlich?

  1. ADen Diffusionsstrom in Durchlassrichtung
  2. BDen Durchbruch bei Sperrvorspannung
  3. CDie durch Lichtabsorption erzeugte Spannung
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Antwort: B. Den Durchbruch bei Sperrvorspannung

Z-Dioden nutzen die Eigenschaft, dass der Strom stark ansteigt, sobald die Sperrspannung die Durchbruchspannung erreicht, und die Spannung auch bei Stromänderungen nahezu konstant bleibt. Die Durchbruchspannung wird durch die Dotierung bestimmt, und im Handel sind Typen von etwa 2 bis 200 V erhältlich. Bis etwa 5 V liegt überwiegend der Zener-Durchbruch durch den Tunneleffekt vor, darüber überwiegend der Lawinendurchbruch. Eingesetzt werden sie zur Erzeugung von Referenzspannungen und zum Überspannungsschutz. Die lichtbedingte Spannung ist ein Phänomen von Solarzellen und Fotodioden.

Welcher Mechanismus des Lawinendurchbruchs ist richtig?

  1. AIm hohen elektrischen Feld beschleunigte Ladungsträger stoßen mit dem Gitter zusammen, erzeugen neue Elektron-Loch-Paare, und diese vermehren sich lawinenartig
  2. BElektronen durchtunneln quantenmechanisch eine dünne Barriere
  3. CDer Übergang schmilzt durch Temperaturanstieg
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Antwort: A. Im hohen elektrischen Feld beschleunigte Ladungsträger stoßen mit dem Gitter zusammen, erzeugen neue Elektron-Loch-Paare, und diese vermehren sich lawinenartig

Beim Lawinendurchbruch erzeugen im starken Feld der Raumladungszone beschleunigte Ladungsträger durch Stöße mit Atomen Elektron-Loch-Paare (Stoßionisation), die wieder beschleunigt werden und erneut Stöße auslösen, wodurch der Strom stark ansteigt. Das kritische Feld von Silizium beträgt etwa 3×10⁵ V/cm, und der Durchbruch tritt bei umso höherer Spannung auf, je niedriger die Dotierung und je breiter die Raumladungszone ist. SiC hat ein etwa zehnmal höheres kritisches Feld, sodass sich dieselbe Sperrspannung mit einer dünneren Driftschicht erreichen lässt und verlustarme Leistungsbauelemente entstehen.

Welcher Mechanismus liegt dem Durchbruch bei niedriger Sperrspannung in einem PN-Übergang mit sehr hoher Dotierung hauptsächlich zugrunde?

  1. ALawinendurchbruch
  2. BZener-Durchbruch durch den quantenmechanischen Tunneleffekt
  3. CSchmelzen des Übergangs durch Wärme
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Antwort: B. Zener-Durchbruch durch den quantenmechanischen Tunneleffekt

Bei beidseitig hoch dotierten Übergängen ist die Raumladungszone mit höchstens etwa 10 nm sehr dünn, und im starken Feld tunneln Elektronen des Valenzbands durch die Barriere ins Leitungsband. Das ist der Zener-Durchbruch, der bei niedrigen Durchbruchspannungen von etwa 5 V oder weniger auftritt, und die Durchbruchspannung sinkt mit steigender Temperatur (weil die Bandlücke schrumpft). Bei höheren Durchbruchspannungen dominiert der Lawinendurchbruch, dessen Temperaturkoeffizient dagegen positiv ist.

  1. Wie ändert sich die Durchbruchspannung des Lawinendurchbruchs im Allgemeinen, wenn die Temperatur steigt?
  2. Z-Dioden mit einer Zenerspannung von etwa 5 bis 6 V zeigen nur eine geringe temperaturbedingte Spannungsänderung. Welcher Grund ist richtig?
  3. Wie verhält sich die Durchbruchspannung eines PN-Übergangs mit niedrigerer Dotierung einer Seite im Allgemeinen?

Übungsfragen zu PN-Übergang und Diode

Wichtige Begriffe erklärt

Zener-Diode
Diode zur Spannungsstabilisierung, die ausnutzt, dass die Durchbruchspannung in Sperrrichtung nahezu konstant bleibt.
Lawinendurchbruch
Phänomen, bei dem Ladungsträger im starken Sperrfeld beschleunigt werden, beim Stoß auf Atome neue Ladungsträger erzeugen und sich lawinenartig vermehren, sodass ein großer Strom fließt.
Raumladungszone (Verarmungszone)
Bereich nahe der Grenzfläche eines PN-Übergangs, in dem kaum Ladungsträger vorhanden sind. Sie wird bei Sperrspannung breiter.
SPAD (Einzelphotonen-Lawinendiode)
Photodetektor, der mit einer Sperrspannung oberhalb der Durchbruchspannung betrieben wird und durch Lawinenmultiplikation schon bei einem einzelnen Photon einen großen Impuls liefert. Wird z. B. in LiDAR zur Entfernungsmessung eingesetzt.

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