'Quantum lavine' forklarer, hvordan ikke-ledere bliver til ledere

Kvantelavine er et fænomen, hvor et lille antal gratis ladningsbærere i en halvleder eller isolator kan udløse en kaskade af ioniseringsbegivenheder, hvilket fører til en pludselig og dramatisk stigning i materialets ledningsevne.

Denne proces kan forekomme, når et tilstrækkeligt stærkt elektrisk felt påføres materialet, hvilket får de frie ladningsbærere til at få nok energi til at kollidere med og ionisere andre atomer eller molekyler og derved generere yderligere ladningsbærere. Disse nygenererede ladningsbærere kan derefter fortsætte med at ionisere andre atomer eller molekyler, hvilket skaber en kædereaktion, der resulterer i en eksponentiel vækst i antallet af frie ladningsbærere og et tilsvarende fald i materialets modstand.

Efterhånden som den elektriske feltstyrke øges, stiger sandsynligheden for kvanteskred også, og når til sidst et kritisk punkt, hvor materialet gennemgår en pludselig overgang fra en ikke-leder til en leder.

Denne overgang er ledsaget af et kraftigt fald i materialets modstand og en tilsvarende stigning i dets ledningsevne. Den kritiske elektriske feltstyrke, der kræves for at kvantelavine kan forekomme, afhænger af materialets egenskaber, såsom dets båndgab, effektive masse og dielektriske konstant.

Kvantelavine spiller en afgørende rolle i forskellige elektroniske enheder og fænomener, såsom Zener-dioder, lavinefotodioder og metal-isolator-metal (MIM) tunnelforbindelser.

I Zener-dioder bruges kvantelavine til at opnå en stabil spændingsreference, mens det i lavin-fotodioder muliggør detektering af lys med lav intensitet ved at forstærke signalet gennem multiplikation af ladningsbærere. MIM-tunnelforbindelser er på den anden side afhængige af kvantelavine for at opnå en høj modstandstilstand i ikke-flygtige hukommelsesenheder.