Z-Diode

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Eine Z-Diode (früher auch Zener-Diode) ist eine Diode, die in Sperrrichtung dauerhaft im Bereich der Durchbruchspannung betrieben werden darf. Diese Durchbruchspannung UBR ist im Datenblatt genau spezifiziert. Normalerweise ist dieser Arbeitsbereich für Dioden verboten, da er zu deren Zerstörung führt. Erreicht wird dies durch eine stark dotierte p+- und eine stark dotierte n+-Schicht. Die starke Rekombination beider Schichten führt zu einer sehr geringen Sperrschichtdicke und damit zu hohen Feldstärken im Bereich der Sperrschicht.

Früher wurden diese Dioden nach dem amerikanischen Physiker Clarence Melvin Zener, dem Entdecker des Zener-Effekts (Elektronen tunneln durch die Sperrschicht), benannt. Ab den 1970er Jahren wird der Name Z-Diode empfohlen, da nur für geringe Durchbruchspannungen der Zener-Effekt verantwortlich ist. In Durchlassrichtung verhalten sie sich wie normale Dioden. In Sperrrichtung sind Z-Dioden für geringe Spannungen genauso wie normale Dioden sperrend. Ab einer gewissen Sperrspannung, der so genannten Durchbruchspannung steigt der Strom innerhalb weniger hundert Millivolt um viele Größenordnungen an. Dieser Prozess ist (z. B. im Gegensatz zum Diac) reversibel, d. h. bei Spannungsverringerung verringert sich dieser Strom auch wieder. Daher sind Z-Dioden zur Spannungsstabilisierung (geringe Spannungsänderung bei großen Stromänderungen, eindeutige I(U)-Kennlinie) und zur Spannungsbegrenzung geeignet.

Auf Grund der geringen Sperrschichtdicke haben Z-Dioden eine große Sperrschichtkapazität, sie haben viele Gemeinsamkeiten mit Kapazitätsdioden.

Schaltzeichen

Durchbrucheffekte[Bearbeiten]

Kennlinien verschiedener Z-Dioden

Die Durchbruchsspannung oder Z-Spannung (meist UBR von engl: BReakdown voltage, seltener auch UZ) liegt bei Z-Dioden im Bereich 2,4 bis 200 V (erweiterter Bereich: 1,8 bis 300 V). Beliebige höhere Spannungen sind durch Reihenschaltung erreichbar, bidirektionale Z-Dioden erhält man durch Anti-Reihenschaltung.

Wird nun UZ 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}}

Bei niedrigen Z-Spannungen (unterhalb 3 V) ist für den Durchbruch der Zenereffekt mit seinem charakteristischen negativer Temperaturkoeffizient (ca. −0,09 %/K) und seinem vergleichsweise flachen Durchbruch dominant. Bei höheren Z-Spannungen (oberhalb von 50 V) dominiert der Lawinendurchbruch-Effekt (engl: Avalanche Effect) mit seinem positiven Temperaturkoeffizient (ca. +0,11 %/K) und dem wesentlich steileren Durchbruch. Bei Durchbruchspannungen zwischen 4,5 V und 5 V kompensieren sich die Temperaturkoeffizienten weitgehend. Auf Grund der unterschiedlichen Steilheit der Kennlinien beider Effekte ist die Kompensation stromabhängig und funktioniert für einen bestimmten Betriebsstrom weitgehend perfekt. Für höhere Ströme verlagert sich dieser Punkt zu niedrigeren Spannungen hin.

Dieses Problem war schon Clarence Zener bekannt, er schlug deshalb vor, die zunächst allgemein als Zenerdioden genannten Dioden in Zener-Dioden (mit Durchbruchspannungen unter 5 V) und in Z-Dioden (mit mehr als 5 V) aufzuteilen. Im Alltagsgebrauch hat sich der Begriff Z-Diode als übergreifende Bezeichnung von Zener- und Avalanche-Dioden etabliert.

Beim Zener-Effekt durchtunneln die Elektronen die extrem dünne Sperrschicht, obwohl eigentlich keine Ladungsträger vorhanden sind. Beim Lawinendurchbruch werden die wenige vorhandene Elektronen durch das elektrische Feld beschleunigt und lösen durch Kollisionen weitere Elektronen aus dem Kristallgitter heraus. In Folge ergibt sich eine lawinenartig ansteigende Ladungsträgerkonzentration und damit ein lawinenartig steigende Leitfähigkeit.

Temperaturabhängigkeit[Bearbeiten]

Temperaturkoeffizient im Bezug zur Z-Spannung

Die Angabe der Z-Spannung UZ bezieht sich im Regelfall auf 300 K. Der Temperaturkoeffizient k_{\vartheta} oder TC gibt dafür 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 ID = 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 V 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 einen positiven Temperaturkoeffizienten. Bei ca. 5 V sind beide Koeffizienten etwa gleich groß und heben sich gegenseitig auf. Für besonders langzeitstabile Referenzen wurde alternativ eine Serienschaltung einer Z-Diode mit 6,2 bis 6,3 V und einem Temperaturkoeffizienten von +2 mV/K und einer normalen Siliziumdiode (oder Basis-Emitterstrecke eines Transistors) in Durchlassrichtung mit −2 mV/K auf demselben Chip verwendet, wodurch sich die Temperaturkoeffizienten aufheben[1]. Als Referenzspannungsquellen in integrierten Schaltkreisen werden allerdings keine Z-Dioden, sondern Bandgap-Referenzen benutzt, da diese wesentlich preiswerter herzustellen sind (Z-Dioden wären auf Grund vieler zusätzlicher Prozessschritte unbezahlbar), wesentlich genauer und langzeitstabiler sind und vor allem bei geringen Spannungen (z. B. bei 3 V) arbeiten.

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

Ersatzschaltbild[Bearbeiten]

Z-Diode1.jpg rz ist der differentielle Widerstand der Zenerdiode; sein Wert beträgt einige Ohm.

Arbeitspunkt[Bearbeiten]

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 dabei zwischen den Punkten 1 und 2 (Regelbereich), wodurch auch eine entsprechende Schwankung des Zenerstromes IZ hervorgerufen wird.

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

Anwendung[Bearbeiten]

In der Regel werden Zenerdioden in Sperrrichtung betrieben. Anwendung finden sie bei der Spannungsbegrenzung, beim Überlastschutz und, der häufigste Anwendungsbereich, bei der Spannungsstabilisierung. Gebräuchlich ist z. B. die Parallelregelung einer Spannung für weitere elektronische Schaltungsteile, die eine stabile Versorgungs- oder Eingangsspannung benötigen. Ein weiteres Beispiel ist die Zenerbarriere. Weiterhin lassen sich Zenerdioden sehr gut als Generator für weißes Rauschen nutzen, das durch den Lawineneffekt hervorgerufen wird.

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 UZ = 10 V würde das in etwa wie folgt aussehen:

Spannungsbegrenzung mittels einer Z-Diode

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:

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}}

rz ist der differentielle Widerstand der Zenerdiode, der möglichst klein sein soll. Mit den typischen Werten rz = 5 Ω und Rv = 1000 Ω werden Schwankungen der Eingangsspannung (auch die Restwelligkeit) auf 0,5 % reduziert.

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 -UZ. Dazu kommt allerdings ein Spannungsabfall UD an der zweiten Z-Diode, die in diesem Fall leitend ist. Dieser verhält sich analog zum Spannungsabfall einer herkömmlichen Diode.

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

Kennzeichnung[Bearbeiten]

Leistungs-Zenerdiode SZ 600, Kathode links

Das Gehäuse von Zenerdioden trägt an der Kathodenseite in der Regel einen Ring. Die Kennzeichnung entspricht damit den Konventionen anderer Dioden.

Literatur[Bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Fluke Corporation (Hrsg.): Calibration: Philosophy in Practice. Everett, Washington 1994, ISBN 0963865005.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

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