L'avalanche quantique est un phénomène qui se produit lorsqu'un fort champ électrique est appliqué à un non-conducteur ou à un semi-conducteur, lui faisant subir une augmentation soudaine et significative de sa conductivité électrique. Cet effet est associé à la rupture de la bande interdite du matériau et à la génération d'un grand nombre de porteurs de charge, conduisant à une transition d'un état isolant ou semi-conducteur à un état conducteur.

Voici une explication plus détaillée du processus d’avalanche quantique :

1. Champ électrique élevé : Lorsqu'un champ électrique suffisamment élevé est appliqué à travers un non-conducteur ou un semi-conducteur, les bandes d'énergie à l'intérieur du matériau sont déformées et la bande interdite entre la bande de valence et la bande de conduction est réduite.

2. Tunnel électronique : Sous l’influence du champ électrique puissant, les électrons de la bande de valence peuvent surmonter la bande interdite réduite et traverser la barrière énergétique jusqu’à la bande de conduction. Ce processus nécessite moins d’énergie que l’excitation thermique des électrons, qui est la manière habituelle pour les électrons de franchir la bande interdite.

3. Multiplication des porteurs : Les électrons qui pénètrent dans la bande de conduction gagnent de l’énergie grâce au champ électrique et accélèrent, entrant en collision avec d’autres électrons de valence. Ces collisions provoquent une ionisation supplémentaire et la génération de paires électron-trou supplémentaires. Ce processus est connu sous le nom d’ionisation par impact ou multiplication de porteurs.

4. Effet d'avalanche : Les électrons et les trous nouvellement générés peuvent répéter le processus d’ionisation par impact, conduisant à un effet semblable à une réaction en chaîne dans lequel le nombre de porteurs de charge augmente de façon exponentielle. Cela amplifie rapidement le courant électrique, provoquant une transition soudaine du matériau d’un état non conducteur à un état conducteur.

5. Formation plasma : À mesure que la densité des porteurs de charge continue d’augmenter, la résistivité électrique du matériau diminue et celui-ci commence à se comporter comme un plasma. Dans cet état de plasma, un grand nombre d’électrons libres et de trous coexistent, permettant au matériau de conduire efficacement l’électricité.

L'avalanche quantique est un phénomène critique dans plusieurs appareils et applications électroniques, notamment les photodiodes à avalanche, les photomultiplicateurs et les commutateurs haute puissance. C’est également important pour comprendre le comportement des matériaux soumis à des champs électriques extrêmes, tels que la foudre ou les claquages ​​électriques des isolants.