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

Kvantelavine er et fænomen, der opstår, når et stærkt elektrisk felt påføres en ikke-leder eller en halvleder, hvilket får den til at gennemgå en pludselig og betydelig stigning i dens elektriske ledningsevne. Denne effekt er forbundet med nedbrydningen af ​​materialets båndgab og genereringen af ​​et stort antal ladningsbærere, hvilket fører til en overgang fra en isolerende eller halvledende tilstand til en ledende tilstand.

Her er en mere detaljeret forklaring af processen med kvantelavine:

1. Højt elektrisk felt: Når et tilstrækkeligt højt elektrisk felt påføres over en ikke-leder eller en halvleder, forvrænges energibåndene i materialet, og båndgabet mellem valensbåndet og ledningsbåndet reduceres.

2. Elektrontunneling: Under påvirkning af det stærke elektriske felt kan elektroner fra valensbåndet overvinde det reducerede båndgab og tunnel gennem energibarrieren ind i ledningsbåndet. Denne proces kræver mindre energi sammenlignet med den termiske excitation af elektroner, som er den sædvanlige måde, hvorpå elektroner hopper hen over båndgabet.

3. Carrier Multiplikation: Elektronerne, der tunnelerer ind i ledningsbåndet, får energi fra det elektriske felt og accelererer og kolliderer med andre valenselektroner. Disse kollisioner forårsager yderligere ionisering og generering af yderligere elektron-hul-par. Denne proces er kendt som stødionisering eller bærermultiplikation.

4. Lavineeffekt: De nyligt genererede elektroner og huller kan gentage processen med stødionisering, hvilket fører til en kædereaktionslignende effekt, hvor antallet af ladningsbærere stiger eksponentielt. Dette forstærker hurtigt den elektriske strøm, hvilket får materialet til at gennemgå en pludselig overgang fra en ikke-ledende til en ledende tilstand.

5. Plasmadannelse: Efterhånden som tætheden af ​​ladningsbærere fortsætter med at stige, falder materialets elektriske resistivitet, og det begynder at opføre sig som et plasma. I denne plasmatilstand eksisterer et stort antal frie elektroner og huller side om side, hvilket gør det muligt for materialet at lede elektricitet effektivt.

Kvantelavine er et kritisk fænomen i flere elektroniske enheder og applikationer, herunder lavinefotodioder, fotomultiplikatorer og højeffektswitche. Det er også vigtigt for at forstå opførsel af materialer under ekstreme elektriske felter, såsom lynnedslag eller elektrisk nedbrud i isolatorer.