Zenerdoorslag versus lawinedoorslag: mechanisme en temperatuur
Beide zijn doorslagverschijnselen waarbij de stroom plotseling toeneemt wanneer een hoge sperspanning over een PN-junctie staat, maar het mechanisme verschilt. Zenerdoorslag treedt op in een junctie met een hoge doteringsconcentratie en een zeer dunne depletielaag: elektronen in de valentieband tunnelen naar de geleidingsband. Lawinedoorslag ontstaat doordat ladingsdragers die door een sterk veld worden versneld via botsingsionisatie elektron-gatparen vormen, die zich als een kettingreactie vermenigvuldigen. In silicium overheerst zenerdoorslag bij doorslagspanningen onder ongeveer 5 V en lawinedoorslag boven ongeveer 6 tot 7 V, en de temperatuurcoëfficiënten hebben een tegengesteld teken.
| Kenmerk | Zenerdoorslag | Lawinedoorslag |
|---|---|---|
| Mechanisme | Tunneleffect. Elektronen in de valentieband tunnelen door een dunne barrière naar de geleidingsband | Botsingsionisatie. Door het veld versnelde ladingsdragers vormen nieuwe elektron-gatparen, die zich als een kettingreactie vermenigvuldigen |
| Doteringsconcentratie van de junctie | Aan beide zijden zeer hoog | Aan minstens één zijde laag. Hoe lager, hoe hoger de doorslagspanning |
| Breedte van de depletielaag | Zeer dun (ongeveer 10 nm of minder) | Breed. Er is afstand nodig om de ladingsdragers te versnellen |
| Veldsterkte bij doorslag (silicium, indicatief) | Zeer sterk veld, in de orde van 10⁶ V/cm | Rond 3×10⁵ V/cm (afhankelijk van de doteringsconcentratie) |
| Doorslagspanning (silicium, indicatief) | Ongeveer 5 V of minder. Tussen ongeveer 5 V en ongeveer 6 tot 7 V treden beide mechanismen gemengd op | Ongeveer 6 tot 7 V of meer. Ook hoogspanningsjuncties van honderden tot duizenden volt worden door deze doorslag begrensd |
| Temperatuurcoëfficiënt van de doorslagspanning | Negatief. Bij hogere temperatuur wordt de bandafstand kleiner en daalt de doorslagspanning | Positief. Bij hogere temperatuur neemt de verstrooiing door roostertrillingen toe en stijgt de doorslagspanning |
| Inzet van de doorslag | Relatief geleidelijk | Steil |
| Ruis | Relatief klein | Groot, door de ruis die met lawinevermenigvuldiging gepaard gaat |
| Belangrijkste toepassingen | Spanningsreferentiediodes van ongeveer 5 V of minder, referenties en clamps voor lage spanningen | Spanningsreferentiediodes vanaf ongeveer 6 V, overspanningsbeveiligingsdiodes, lawinefotodiodes, SPAD's |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.