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Zener-Dioden / Z-Dioden

Die Z-Diode (Zener-Diode) ist eine Silizium-Halbleiterdiode, die in Sperrrichtung betrieben wird. In Durchlassrichtung arbeitet sie wie ein normale Diode. Die Zener-Diode wird zur Stabilisierung von pulsierenden Gleichspannungen verwendet.
Der Name stammt vom Zenereffekt, den ein Mann mit dem Namen Zener entdeckt hat. Die Bezeichnung Z-Diode ist nur eine Abkürzung.

Zenereffekt und Lawineneffekt

Der Zenereffekt wird durch das elektrische Feld ausgelöst, dass ab einer bestimmten Größe zur Herauslösung der Elektronen aus ihren Kristallbindungen führt. Die Elektronen führen zur Bildung des Stromes I_z. Ab einem bestimmten Spannungswert U_Z0, der Zenerspannung, wird die Z-Diode niederohmig. Ab der Zenerspannung nimmt der Strom I_z schlagartig zu.
Die Ladungsträger, die durch den Zenereffekt frei wurden, werden durch das elektrische Feld sehr stark beschleunigt. Das führt dazu, dass weitere Elektronen aus ihren Kristallbindungen herausgestoßen werden. Die Sperrschicht wird mit freien Ladungsträgern überschwemmt. Das nennt man Lawineneffekt (Stossionisation).
Die Zenerspannung kann bei der Herstellung durch die Dotierung des Silizium-Kristalls im Bereich 2 bis 600V eingestellt werden.
Bei der Z-Diode überlagert sich der Zenereffekt und der Lawineneffekt. Dieser Zustand wird als Zenerdurchbruch bezeichnet. Die plötzliche Leitfähigkeit führt zu einem sehr hohen Strom in Sperrrichtung. Ist der Strom zu groß, wird die Z-Diode zerstört. Deshalb ist im Datenblatt immer ein maximal zulässiger Sperrstrom I_Zmax angegeben., der nicht überschritten werden darf. Genauso wichtig ist die maximal zulässige Verlustleistung P_tot. Beide Grenzwerte dürfen nicht überschritten werden und sollten bei der Dimensionierung der Schaltungen mit Z-Diode bekannt sein und berücksichtigt werden.
Fällt die Sperrspannung unter U_Z0, dann wird die Sperrschicht sofort wieder hergestellt. Der Bereich zwischen I_Zmin und I_Zmax wird Arbeitsbereich oder Durchbruchbereich genannt.

Temperaturabhängigkeit

Die Temperaturabhängigkeit der Z-Diode ist vor allem in der Mess- und Regeltechnik von Nachteil. Und Anwendungen, wo eine exakte Spannung benötigt wird, macht sich das negativ bemerkbar. Deshalb schaltet man gerne Z-Dioden mit positivem und negativem Temperaturkoeffizienten TK in Reihe. Im Optimalfall heben sie sich auf oder es bleibt nur ein kleiner Rest übrig. Der Temperaturkoeffizient TK gibt die Temperaturabhängigkeit an.
Manchmal nimmt man zur Temperaturstabilisierung auch normale Silizium-Dioden. In speziellen temperaturkompensierten Z-Dioden hat der Hersteller bereits diese Zusammenschaltung vorgenommen.

Schaltzeichen

Bezeichnung von Z-Dioden

Anwendungen

Z-Dioden eignen sich am besten zur Spannungsstabilisierung für Schaltungen mit kleinem Stromverbrauch. Aber auch die Spannungsbegrenzung von Spannungsspitzen ist eine Möglichkeit.
Mit geeigneter Zenerspannung eignen sie sich als Sollwertgeber in der Mess- und Regeltechnik. Oder wo Bezugsspannungen benötigt werden.

• Spannungsstabilisierung mit Z-Diode
• Z-Diode-Erweiterungskurs und die Bandgap-Referenz von Thomas Schaerer
• Die Power-Zenerdiode aus Z-Diode und Transistor von Thomas Schaerer

Übersicht: Halbleiterdioden

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• Ceradioden / Keramische Dioden
• Fotodioden
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