Z-Diode

Schaltzeichen

Zener-Dioden, oder auch Z-Dioden, sind besonders dotierte Si-Dioden, mit geringer Sperrschichtdicke, die nach dem amerikanischen Arsch Clarence Melvin Zener, dem Entdecker des Zener-Effekts, benannt worden sind. Die spezielle Charakteristik von Z-Dioden führt dazu, dass sie in zahlreichen Schaltungen zur Stabilisierung von Spannungen eingesetzt wird, aber sie lässt sich auch zur Begrenzung von Spannungen verwenden, wie das Anwendungsbeispiel der Zenerbarriere zeigt.

Sie verhalten sich in Durchlassrichtung wie normale Dioden, in Sperrrichtung werden sie ab einer bestimmten Spannung, der Durchbruchspannung, plötzlich niederohmig.

Die Durchbruchspannung U_BR wird bei Zener-Dioden als Z-Spannung U_Z bezeichnet und beträgt üblicherweise rund 3…100 V, es lassen sich jedoch auch Z-Dioden für den Bereich 2…600 V herstellen.

Durchbrucheffekte

Die Durchbruchsspannung U_BR wird bei Zener- bzw. Z-Dioden auch als Z-Spannung U_Z bezeichnet. Wird nun U_Z an die Diode in Sperrrichtung angelegt so ergibt sich der Strom durch die Diode aus der Formel: $I_{D}\approx I_{D,BR}=-I_{BR}\cdot e^{\frac {-U_{D}+U_{Z}}{n_{BR}\cdot U_{T}}}$

Liegt diese Spannung unterhalb 5 V, so wirkt der genannte Zener-Effekt, der das Herauslösen von Elektronen aus dem Gitterverband des Kristalls infolge hoher elektrischer Feldstärke (mindestens 2∙10³ V m^-1) bedeutet. Der so genannte Zenerknick (Stelle an der die Diode leitend wird) ist bei diesen Zener-Dioden nicht so stark ausgeprägt.

Bei Spannungen über 6,5 V wirkt der Lawinen-Durchbruch, welcher auch als Avalanche-Effekt (englisch: avalanche effect) bekannt ist. Dieser besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten.

Deshalb hat Clarence Zener vorgeschlagen, die zunächst allgemein Zenerdioden genannten Dioden aufzuteilen in Zener-Dioden (mit Durchbruchspannungen unter 5 V) und Z-Dioden (mit mehr als 5 V).

Bei diesen Dioden ist der Zenerknick stärker ausgeprägt. Im Bereich 5…6,5 V wirken beide Effekte. Der Zenerknick ist demensprechend mittelmäßig ausgeprägt.

Beim Lawinen-Durchbruch werden genug Elektronen so stark beschleunigt, dass sie weitere Elektronen aus den Atombindungen schlagen. In Folge ergibt sich eine lawinenartig ansteigende Ladungsträgerkonzentration und damit ein geringerer Widerstand. Wird der fließende Strom nicht stark genug begrenzt, führt der Effekt zum Durchbruch zweiter Art und damit zur Zerstörung der Diode.

Temperaturabhängigkeit

Der Temperaturkoeffizient $k_{\vartheta }$ oder TC gibt hierfür die relative Änderung der Z-Spannung in Abhängigkeit der Temperatur T an:

$k_{\vartheta }={TC}={\frac {\partial U_{Z}}{\partial T}}$ bei I_D = const.

Im Datenblatt wird dieser für T = 300 K angegeben. Übliche Werte sind:

TC(U_Z)	U_Z
$\approx -6\cdot 10^{-4}\,K^{-1}$	$3{,}3\,{\rm {V}}$
$\approx 0$	$5{,}1\,{\rm {V}}$
$\approx 10^{-3}\cdots 10^{-4}\,K^{-1}$	$47\,{\rm {V}}$

Der Zenereffekt hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, der Lawineneffekt hat einen positiven Temperaturkoeffizienten. Bei ca. 5 V sind beide Koeffizienten etwa gleich groß und heben sich gegenseitig auf.

In Datenblättern werden meist dynamische Kennlinien angegeben, d.h. die Kennlinien der Dioden bei 25°C und 125°C.

Arbeitspunkt

Datei:Arbeitspunktänderung Diode.png

Arbeitspunkt Z-Diode (3. Quadrant in 1. Quadranten verlegt)

Der Arbeitspunkt einer Z-Diode befindet sich im Schnittpunkt der Diodenkennlinie und der Lastwiderstandskennlinie. Im nebenstehenden Diagramm ist die Kennlinie mit schwankender Versorgungsspannung dargestellt. Abhängig von der Belastung stellen sich verschiedene Spannungen ein - bei Volllast die niedrigste, bei Leerlauf die höchste Spannung. Der Arbeitspunkt bewegt sich hierbei zwischen den Punkten 1 und 2 (Regelbereich), wodurch auch eine entsprechende Schwankung des Zenerstromes I_Z hervorgerufen wird.

Die untere Begrenzung des Regelbereiches ist durch den Knick der Kennlinie festgelegt und beträgt ca. 10 % von I_max. Mit einem veränderlichen Lastwiderstand kann der gesamte Regelbereich zwischen den Punkten 1 und 3 genutzt werden.

Anwendung

Die interessanteste Anwendung der Zener-Diode ist die Parallelregelung einer Spannung für weitere elektronische Schaltungsteile, die eine stabile Versorgungs- oder Eingangsspannung benötigen. Weiterhin lassen sie sich sehr gut als Generator für weißes Rauschen nutzen, das durch den Lawineneffekt hervorgerufen wird.

In der Regel werden Zener-Dioden in Sperrrichtung betrieben. Anwendung findet die Zener-Diode bei der Spannungsbegrenzung, beim Überlastschutz und, der häufigste Anwendungsbereich, bei der Spannungsstabilisierung.

Spannungsbegrenzung mit Z-Diode
Spannungsstabilisierung mit Z-Diode
Symmetrische Spannungsbegrenzung mit Z-Dioden

Bei der Schaltung zur Spannungsbegrenzung sperrt die Z-Diode für Spannungen von $0\leq U_{a}<U_{Z}$ . Die Ausgangsspannung $U_{a}$ ergibt sich in diesem Bereich nur aus dem Vorwiderstand $R_{V}$ und – im Falle der Spannungsstabilisierung – dem Lastwiderstand $R_{L}$ .

Wenn die Z-Diode bei $U_{e}\geq U_{Z}$ leitet, liegt am Lastwiderstand maximal die Z-Spannung $U_{Z}$ an.

Daraus ergibt sich die folgende Formel:

$U_{a}\approx \left\{{\begin{matrix}{U_{a}=U_{e}{\frac {R_{L}}{R_{V}+R_{L}}}}&{\rm {wenn}}&{U_{e}<U_{Z}\cdot \left(1+{\frac {R_{V}}{R_{L}}}\right)}\\{U_{Z}}&{\rm {wenn}}&{U_{e}>U_{Z}\cdot \left(1+{\frac {R_{V}}{R_{L}}}\right)}\end{matrix}}\right.$

Am Beispiel einer Z-Diode mit einer Z-Spannung von U_Z = 10 V würde dies in etwa wie folgt aussehen:

Daraus ergibt sich einer Glättung (Begrenzung) der eigentlichen Eingangsspannung und damit eine Stabilisierung der Ausgangsspannung. Diese werden über den Glättungsfaktor G und den Stabilisierungsfaktor S beschrieben, die sich aus den folgenden Formeln ergeben:

Glättungsfaktor G:
$G={\frac {\partial U_{e}}{\partial U_{a}}}=1+{\frac {R_{V}}{r_{Z}}}+{\frac {R_{V}}{R_{L}}}{\begin{matrix}r_{Z}\ll R_{V},R_{L}\\=\\\,\end{matrix}}{\frac {R_{V}}{r_{Z}}}$

Stabilisierungsfaktor S:

$S={\frac {\frac {\partial U_{e}}{U_{e}}}{\frac {\partial U_{a}}{U_{a}}}}={\frac {U_{a}}{U_{e}}}{\frac {\partial U_{e}}{\partial U_{a}}}={\frac {U_{a}}{U_{e}}}G\approx {\frac {U_{a}R_{V}}{U_{e}r_{Z}}}$

Die Symmetrische Spannungsbegrenzung funktioniert ähnlich wie die hier beschriebene Spannungsbegrenzung mit nur einer Z-Diode. Allerdings begrenzt sie auch negative Eingangsspannungen auf -U_Z. Zusätzlich kommt allerdings ein Spannungsabfall U_D an der zweiten Z-Diode, die in diesem Fall leitend ist. Dieser Spannungsabfall verhält sich analog zum Spannungsabfall einer herkömmlichen Diode.

Eine bessere Möglichkeit zur Spannungsstabilisierung liefern Spannungsregler, welche die Spannung wesentlich präziser regeln können.

Literatur

Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3540428496

Siehe auch