Z-Dioden (Zener-Dioden / Avalanche-Dioden)

Die Z-Diode ist eine Silizium-Halbleiterdiode, die in Sperrrichtung betrieben wird. In Sperrrichtung tritt bei einer Silizium-Diode der Zener- bzw. Lawinen-Effekt auf, bei dem ab einer bestimmten Sperrspannung der Strom schlagartig zunimmt (Durchbruchspannung). In Durchlassrichtung arbeitet die Z-Diode wie ein normale Diode.
Typischerweise werden Z-Dioden zur Stabilisierung von pulsierenden Gleichspannungen oder zum Einstellen von Bezugsspannungen verwendet.

Unterscheidung: Zener-Diode und Avalanche-Diode

Oft spricht man von einer "Zener-Diode", obwohl diese nicht auf dem Zener-Effekt beruht. Deswegen gibt es die Bezeichnung "Z-Diode". In der Regel verwendet man für alle Dioden mit Zener- bzw. Lawinen-Effekt die Bezeichnung "Z-Diode". Eine Z-Diode darf aber nur von 1,5 V bis 5 V Durchbruchspannung als Zener-Diode bezeichnet werden. Darüber hinaus handelt es sich um eine Avalanche-Diode.

Der Zener-Effekt, auf dem die Zener-Diode beruht, tritt nur unterhalb einer Sperrspannung von 5 V auf, den Clarence Melvin Zener entdeckt hat. Über 6,5 V tritt der Lawinen-Effekt oder auch Lawinen-Durchbruch auf. Zwischen 5 und 6,5 V überlagern sich beide Effekte. Deshalb spricht man bis 5 V Durchbruchspannung von der Zener-Spannung. Die Dioden heißen dann Zener-Dioden. Über 5 V Durchbruchspannung spricht man vom Lawinen-Effekt. Die Dioden werden als Lawinen-Dioden oder Avalanche-Dioden bezeichnet.

  • Zener-Dioden: Z-Dioden bis ca. 5 V
  • Avalanche-Dioden: Z-Dioden ab ca. 5 V

Verstehen muss man, dass je nach Höhe der Durchbruchspannung beide Effekte alleine oder gemeinsam auftreten können. Ein weiterer Unterschied beider Effekte liegt in einem gegensätzlichen Temperaturverhalten, der sich zwischen 6 und 6,5 V kompensiert. Z-Dioden mit einer Durchbruchspannung von 6,2 V gelten als sehr temperaturstabil.

Da die Kennlinien von Zener- und Avalanche-Dioden ähnliche Z-förmige Kennlinien haben, bezeichnet man beide Dioden-Arten als Z-Dioden. Das "Z" geht also nicht auf den Zener-Effekt zurück, sondern auf die Z-förmige Kennlinie. Wissenschaftlich korrekt ist es, wenn man allgemein von Z-Dioden und nicht von Zener-Dioden spricht.

Zener-Effekt / Avalanche-Effekt / Lawinen-Durchbruch

Die folgende Darstellung und Beschreibung muss man unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Effekte sehen. Das bedeutet, dass der Zener-Effekt, der Avalanche-Effekt und der Lawinen-Durchbruch "nicht" unterschiedliche Bezeichnungen für den gleichen Effekt sind, sondern gesondert betrachtet werden sollten.

Kennlinie der Z-Diode

Der Zener-Effekt 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 Iz. Ab einem bestimmten Spannungswert UZ0, der Zener-Spannung, wird die Z-Diode niederohmig. Ab der Zener-Spannung nimmt der Strom Iz schlagartig zu.
Die Ladungsträger, die durch den Zener-Effekt frei wurden, werden durch das elektrische Feld sehr stark beschleunigt. Das führt dazu, dass weitere Elektronen aus ihren Kristallbindungen herausgestoßen werden. Die Sperrschicht der Diode wird mit freien Ladungsträgern überschwemmt. Das nennt man Lawineneffekt (Stossionisation).
Bei der Z-Diode überlagert sich der Zener-Effekt 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 einer Z-Diode immer ein maximal zulässiger Sperrstrom IZmax angegeben, der nicht überschritten werden darf. Genauso wichtig ist die maximal zulässige Verlustleistung Ptot. Beide Grenzwerte dürfen nicht überschritten werden und sollten bei der Dimensionierung einer Schaltungen mit Z-Diode bekannt sein und berücksichtigt werden.
Fällt die Sperrspannung unter UZ0, dann wird die Sperrschicht sofort wieder hergestellt. Der Bereich zwischen IZmin und IZmax wird Arbeitsbereich oder Durchbruchbereich genannt.
Die Zener-Spannung kann bei der Herstellung der Z-Diode durch die Dotierung des Silizium-Kristalls im Bereich 2 bis 600V eingestellt werden.

Temperaturabhängigkeit der Z-Diode

Die Temperaturabhängigkeit der Z-Diode ist vor allem in der Mess- und Regeltechnik ein Nachteil. Bei Anwendungen, wo eine exakte Spannung benötigt wird, macht sich das negativ bemerkbar. Deshalb schaltet man Z-Dioden gerne 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

Schaltzeichen einer Z-Diode

Bezeichnung von Z-Dioden

Bezeichnung Alternativen Ptot Gehäuse
ZPD... BZX83... / BZY88... / BZX55... / ZX71... / BZX79... 500 mW DO35
ZPY... BZX 29... / BZX 85... / BZY 92.. / BZY 95... / BZY 96... / BZX 97... / ZD... 1,3 W DO41

Anwendungen

Z-Dioden eignen sich am besten zur Spannungsstabilisierung in 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.

Übersicht: Halbleiterdioden

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