La valanga quantistica è un fenomeno che si verifica quando un forte campo elettrico viene applicato a un non conduttore o a un semiconduttore, provocando un improvviso e significativo aumento della sua conduttività elettrica. Questo effetto è associato alla rottura della banda proibita del materiale e alla generazione di un gran numero di portatori di carica, portando alla transizione da uno stato isolante o semiconduttore a uno stato conduttivo.

Ecco una spiegazione più dettagliata del processo della valanga quantistica:

1. Campo elettrico elevato: Quando viene applicato un campo elettrico sufficientemente elevato attraverso un non conduttore o un semiconduttore, le bande di energia all'interno del materiale vengono distorte e la banda proibita tra la banda di valenza e la banda di conduzione viene ridotta.

2. Tunneling elettronico: Sotto l'influenza del forte campo elettrico, gli elettroni della banda di valenza possono superare la banda proibita ridotta e passare attraverso la barriera energetica nella banda di conduzione. Questo processo richiede meno energia rispetto all'eccitazione termica degli elettroni, che è il modo usuale in cui gli elettroni saltano attraverso la banda proibita.

3. Moltiplicazione delle portanti: Gli elettroni che entrano nella banda di conduzione ottengono energia dal campo elettrico e accelerano, scontrandosi con altri elettroni di valenza. Queste collisioni provocano un'ulteriore ionizzazione e la generazione di ulteriori coppie elettrone-lacuna. Questo processo è noto come ionizzazione per impatto o moltiplicazione dei portatori.

4. Effetto valanga: Gli elettroni e le lacune appena generati possono ripetere il processo di ionizzazione per impatto, portando a un effetto simile a una reazione a catena in cui il numero di portatori di carica aumenta esponenzialmente. Ciò amplifica rapidamente la corrente elettrica, provocando un'improvvisa transizione del materiale dallo stato non conduttivo a quello conduttivo.

5. Formazione del plasma: Man mano che la densità dei portatori di carica continua ad aumentare, la resistività elettrica del materiale diminuisce e inizia a comportarsi come un plasma. In questo stato di plasma coesistono un gran numero di elettroni liberi e lacune, consentendo al materiale di condurre l’elettricità in modo efficiente.

La valanga quantistica è un fenomeno critico in diversi dispositivi e applicazioni elettronici, inclusi fotodiodi a valanga, fotomoltiplicatori e interruttori ad alta potenza. È importante anche per comprendere il comportamento dei materiali in condizioni di campi elettrici estremi, come i fulmini o i guasti elettrici negli isolanti.