Kwantumlawine is een fenomeen dat optreedt wanneer een sterk elektrisch veld wordt aangelegd op een niet-geleider of halfgeleider, waardoor de elektrische geleidbaarheid ervan plotseling en aanzienlijk toeneemt. Dit effect houdt verband met het wegvallen van de bandafstand van het materiaal en het genereren van een groot aantal ladingsdragers, wat leidt tot een overgang van een isolerende of halfgeleidende toestand naar een geleidende toestand.

Hier is een meer gedetailleerde uitleg van het proces van kwantumlawine:

1. Hoog elektrisch veld: Wanneer een voldoende hoog elektrisch veld wordt aangelegd over een niet-geleider of een halfgeleider, worden de energiebanden in het materiaal vervormd en wordt de bandafstand tussen de valentieband en de geleidingsband verkleind.

2. Elektronentunneling: Onder invloed van het sterke elektrische veld kunnen elektronen uit de valentieband de kleinere bandafstand overwinnen en door de energiebarrière naar de geleidingsband tunnelen. Dit proces vereist minder energie vergeleken met de thermische excitatie van elektronen, wat de gebruikelijke manier is waarop elektronen over de bandafstand springen.

3. Vermenigvuldiging van dragers: De elektronen die in de geleidingsband tunnelen, halen energie uit het elektrische veld en versnellen, waarbij ze in botsing komen met andere valentie-elektronen. Deze botsingen veroorzaken verdere ionisatie en het genereren van extra elektronen-gatparen. Dit proces staat bekend als impactionisatie of dragervermenigvuldiging.

4. Lavale-effect: De nieuw gegenereerde elektronen en gaten kunnen het proces van impactionisatie herhalen, wat leidt tot een kettingreactie-achtig effect waarbij het aantal ladingsdragers exponentieel toeneemt. Hierdoor wordt de elektrische stroom snel versterkt, waardoor het materiaal een plotselinge overgang ondergaat van een niet-geleidende naar een geleidende toestand.

5. Plasmavorming: Naarmate de dichtheid van de ladingsdragers blijft toenemen, neemt de elektrische weerstand van het materiaal af en begint het zich als een plasma te gedragen. In deze plasmatoestand bestaan ​​er een groot aantal vrije elektronen en gaten naast elkaar, waardoor het materiaal elektriciteit efficiënt kan geleiden.

Kwantumlawine is een kritisch fenomeen in verschillende elektronische apparaten en toepassingen, waaronder lawinefotodiodes, fotomultipliers en hoogvermogenschakelaars. Het is ook belangrijk voor het begrijpen van het gedrag van materialen onder extreme elektrische velden, zoals blikseminslagen of elektrische storingen in isolatoren.