Zener-Diode

Eine Zener-Diode, oder auch Z-Diode, ist eine besonders dotierte Silicium-Diode mit geringer Sperrschichtdicke, die nach dem amerikanischen Physiker Clarence Melvin Zener, dem Entdecker des Zener-Effekts, benannt ist. Die Charakteristik von Z-Dioden erlaubt es, dass sie in zahlreichen Schaltungen zur Stabilisierung und Begrenzung von elektrischen Spannungen eingesetzt werden.

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

Schaltzeichen

Durchbrucheffekte

Kennlinien verschiedener Z-Dioden

Die Durchbruchsspannung U_BR wird bei Zener- bzw. Z-Dioden auch als Z-Spannung U_Z bezeichnet und beträgt üblicherweise rund 3…100 V (in Ausnahmefällen auch für den Bereich 2…600 V herstellbar). 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 überwiegt der Zener-Effekt und damit sein negativer Temperaturkoeffizient.

Bei Spannungen über 6,5 V überwiegt der Lawinendurchbruch-Effekt, der auch als Avalanche-Effekt (englisch: avalanche effect) bekannt ist und damit sein positiver Temperaturkoeffizient.

Im Bereich zwischen 5 und 6,5 V wirken beide Effekte in ähnlicher Stärke. Der Knick der Kennlinie ist zwar nicht so scharf, dafür aber ist der Temperaturgang besonders niedrig ausgeprägt.

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). Im Alltagsgebrauch hat sich der Begriff Z-Dioden als übergreifende Bezeichnung von Zener- und Avalanche-Dioden etabliert.

Bei Avalanche-Dioden ist der Knick der Kennlinie stärker ausgeprägt.

Beim Lawinendurchbruch 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

Temperaturkoeffizient im Bezug zur Z-Spannung

Die Angabe der Z-Spannung U_Z bezieht sich im Regelfall auf 300 Kelvin. Der Temperaturkoeffizient $k_{\vartheta}$ oder TC gibt hierfür die relative Änderung der Z-Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur T an:

$k_{\vartheta} = {TC} = \frac{1}{U_Z}\cdot \frac{\part U_Z}{\part T}$ bei I_D = const.

In Datenblättern erfolgt häufig die Angabe des Temperaturkoeffizienten bezogen auf die Spannung in Millivolt pro Kelvin. Die Umrechnung geschieht wie folgt:

$S_Z = k_\vartheta \cdot U_Z$

Unterhalb von 7 Volt hängt der Temperaturkoeffizient deutlich vom Diodenstrom ab, weswegen immer die Angabe des Nennstroms erforderlich ist.

Übliche Werte sind:

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

Die Z-Spannung und deren Änderung in Abhängigkeit von der Temperatur berechnet sich nach folgenden Formeln:

$\Delta U_Z(T) =k_\vartheta \cdot U_Z \cdot \left( T - 300 \mathrm{K}\right)$

$U_Z(T) = U_Z + \Delta U_Z(T) = U_Z \cdot \left[ 1 + k_\vartheta \cdot \left(T - 300 \mathrm{K}\right)\right]$

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. Dieser Spannungswert eignet sich daher besonders als Referenzspannungsquelle mit geringer Temperaturdrift.

In Datenblättern werden gelegentlich Strom-Spannungs-Kennlinien angegeben, d. h. die Kennlinien der Dioden bei 25 °C und 125 °C.

Ersatzschaltbild

Arbeitspunkt

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. Ein Anwendungsbeispiel ist die Zenerbarriere.

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  Spannungsbegrenzung mit Z-Diode

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  Spannungsstabilisierung mit Z-Diode

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  Symmetrische Spannungsbegrenzung mit Z-Dioden

Bei der Schaltung zur Spannungsbegrenzung sperrt die Z-Diode für Spannungen von $0 \le U_e < U_Z$. 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 $U_e \ge U_Z$ leitet, liegt am Lastwiderstand maximal die Z-Spannung U_Z an.

Daraus ergibt sich die folgende Formel:

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

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

Daraus ergibt sich eine 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:

$G=\frac{\partial U_{e}}{\partial U_{a}} =1+\frac{R_{V}}{r_{Z}}+ \frac{R_{V}}{R_{L}} \stackrel{\,(r_Z \ll R_{V},R_{L})\,}{=} \frac{R_{V}}{r_{Z}}$

Relativer 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.

Kennzeichnung

Zener-Diode, Kathode links

Das Gehäuse von Zenerdioden trägt an der Kathodenseite in der Regel einen Ring. Die Kennzeichnung der Kathode entspricht damit der Kennzeichnung bei anderen Dioden.

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3-540-42849-6

Siehe auch

• Hauptstromzenerdiode
• pin-Diode

Weblinks

 Commons: Zener diodes – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Z-Diode-Erweiterungskurs und die Bandgap-Referenz
• Die Power-Zenerdiode aus Z-Diode und Transistor
• Präzisionsspannungsreferenz LM199, erster Schaltkreis mit Buried-Zener-Diode