Z-Diode

Aufbau und grundlegende Funktion

Eine Z-Diode, auch Zener-Diode genannt, ist eine Diode, die dafür ausgelegt ist, dauerhaft in Sperrrichtung im Bereich ihrer Durchbruchspannung betrieben zu werden. Die Durchbruchspannung U_BR ist ihre wichtigste Kenngröße und wird im Datenblatt angegeben.

Der Aufbau besteht aus einer stark dotierten p⁺- und einer stark dotierten n⁺-Schicht. Durch die starke Rekombination entsteht eine sehr dünne Sperrschicht mit hoher elektrischer Feldstärke. In Durchlassrichtung verhält sich die Z-Diode wie eine normale Diode. In Sperrrichtung sperrt sie zunächst ebenfalls. Ab der Durchbruchspannung steigt der Strom innerhalb weniger hundert Millivolt um viele Größenordnungen an. Bei einer Verringerung der Spannung sinkt der Strom wieder; der Vorgang hängt also nicht von der Vorgeschichte ab.

Diese eindeutige I(U)-Kennlinie und die geringe Spannungsänderung bei großen Stromänderungen machen Z-Dioden zur Spannungsstabilisierung und Spannungsbegrenzung geeignet. Wegen der geringen Sperrschichtdicke besitzen sie außerdem eine große Sperrschichtkapazität und haben dadurch Gemeinsamkeiten mit Kapazitätsdioden.

Durchbruch und Z-Spannungsbereiche

Die Durchbruchspannung oder Z-Spannung wird meist mit U_BR, seltener mit U_Z bezeichnet. Typische Z-Dioden decken den Bereich 2,4–200 V ab; als erweiterter Bereich werden 1,8–300 V angegeben. Beliebig höhere Spannungen lassen sich durch Reihenschaltung erreichen. Bidirektionale Z-Dioden entstehen durch eine Anti-Reihenschaltung.

Der Sperrstrom kann näherungsweise mit folgender Formel beschrieben werden: I_D ≈ I_D,BR = −I_BR · e^[(-U_D + U_Z)/(n_BR · U_T)]

Bei niedrigen Z-Spannungen unterhalb von 3 V dominiert der Zener-Effekt. Dabei tunneln Elektronen durch die extrem dünne Sperrschicht, obwohl dort eigentlich keine Ladungsträger vorhanden sind. Dieser Effekt besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten von etwa −0,09 %/K und einen vergleichsweise flachen Durchbruch.

Bei höheren Z-Spannungen oberhalb von 5 V dominiert der Lawinendurchbruch-Effekt. Die wenigen vorhandenen Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt und lösen durch Zusammenstöße weitere Elektronen aus dem Kristallgitter. Dadurch steigt die Ladungsträgerkonzentration und die Leitfähigkeit lawinenartig an. Der Temperaturkoeffizient ist positiv und beträgt etwa +0,11 %/K; der Durchbruch ist wesentlich steiler.

Zwischen 4,5 V und 5 V kompensieren sich die Temperaturkoeffizienten weitgehend. Wegen der unterschiedlichen Kennliniensteilheit ist diese Kompensation stromabhängig und für einen bestimmten Betriebsstrom besonders gut. Bei höheren Strömen verschiebt sich der Kompensationspunkt zu niedrigeren Spannungen. Im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet Z-Diode sowohl Zener- als auch Avalanche-Dioden.

Temperaturabhängigkeit

Die angegebene Z-Spannung U_Z bezieht sich normalerweise auf 300 K. Der Temperaturkoeffizient k_ϑ beziehungsweise TC beschreibt bei konstantem Diodenstrom I_D die relative Änderung der Z-Spannung mit der Temperatur:

k_ϑ = TC = (1/U_Z) · (∂U_Z/∂T) bei I_D = const.

In Datenblättern wird der Temperaturkoeffizient häufig in Millivolt pro Kelvin angegeben. Die Umrechnung lautet: S_Z = k_ϑ · U_Z

Unterhalb von 7 V hängt der Temperaturkoeffizient deutlich vom Diodenstrom ab. Deshalb muss bei solchen Angaben immer der Nennstrom berücksichtigt werden. Übliche Werte sind:

• U_Z = 3,3 V: TC(U_Z) ≈ −6 · 10⁻⁴ K⁻¹
• U_Z = 5,1 V: TC(U_Z) ≈ 0
• U_Z = 47 V: TC(U_Z) ≈ +6 · 10⁻⁴ K⁻¹ bis +10 · 10⁻⁴ K⁻¹

Die Spannungsänderung und die temperaturabhängige Z-Spannung berechnen sich mit:

ΔU_Z(T) = k_ϑ · U_Z · (T − 300 K)

U_Z(T) = U_Z + ΔU_Z(T) = U_Z · [1 + k_ϑ · (T − 300 K)]

Der Zener-Effekt hat einen negativen, der Lawineneffekt einen positiven Temperaturkoeffizienten. Bei ungefähr 5 V heben sich beide Einflüsse annähernd auf. Für besonders langzeitstabile Referenzen wurde eine Serienschaltung aus einer Z-Diode mit 6,2 bis 6,3 V und einem Temperaturkoeffizienten von +2 mV/K sowie einer normalen Siliziumdiode oder einer Basis-Emitterstrecke eines Transistors mit −2 mV/K auf demselben Chip verwendet. In integrierten Schaltungen werden dafür jedoch Bandgap-Referenzen eingesetzt, da sie preiswerter zu integrieren, genauer und langzeitstabiler sind und bei geringeren Spannungen, zum Beispiel 3 V, arbeiten. Datenblätter können Strom-Spannungs-Kennlinien bei 25 °C und 125 °C enthalten.

Ersatzschaltbild und Arbeitspunkt

Im Ersatzschaltbild wird die Z-Diode im Durchbruchbereich durch eine Spannungsquelle U_z0 und den differentiellen Widerstand r_z beschrieben. Der differentielle Widerstand ist der kleine Wechsel- beziehungsweise Steigungswiderstand der Kennlinie und liegt typischerweise im Bereich einiger Ohm.

Der Arbeitspunkt ist das Wertepaar aus Spannung und Stromstärke, das sich durch die äußere Beschaltung einstellt. Er liegt im Schnittpunkt der Diodenkennlinie und der Lastwiderstandskennlinie. Bei einer lastabhängigen Versorgung nimmt die Z-Diode abhängig von der Belastung unterschiedliche Arbeitspunkte ein: Bei Volllast liegt die Spannung an der Z-Diode am niedrigsten, bei Leerlauf am höchsten. Der Arbeitspunkt bewegt sich im Regelbereich zwischen den Punkten 1 und 2; dabei ändert sich auch der Zener-Strom I_Z.

Die untere Grenze des Regelbereichs wird durch den Knick der Kennlinie festgelegt und beträgt etwa 10 % von I_max. Bei einem veränderlichen Lastwiderstand kann der gesamte Regelbereich zwischen den Punkten 1 und 3 genutzt werden.

Spannungsbegrenzung und Spannungsstabilisierung

Z-Dioden werden in der Regel in Sperrrichtung betrieben. Wichtige Anwendungen sind Spannungsbegrenzung, Überlastschutz und vor allem Spannungsstabilisierung. Typisch ist eine Parallelregelung, bei der die Z-Diode eine stabile Versorgungs- oder Eingangsspannung für weitere elektronische Schaltungsteile bereitstellt. Weitere Anwendungen sind die Zenerbarriere und die Erzeugung von weißem Rauschen durch den Lawineneffekt.

Bei einer Begrenzerschaltung sperrt die Z-Diode für 0 ≤ U_e < U_Z. Die Ausgangsspannung U_a wird dann durch den Vorwiderstand R_V und bei der Spannungsstabilisierung zusätzlich durch den Lastwiderstand R_L bestimmt. Sobald U_e ≥ U_Z ist und die Z-Diode leitet, liegt am Lastwiderstand höchstens ungefähr die Z-Spannung U_Z an. Näherungsweise gilt:

U_a ≈ U_e · R_L/(R_V + R_L), wenn U_e < U_Z · (1 + R_V/R_L)

U_a ≈ U_Z, wenn U_e > U_Z · (1 + R_V/R_L)

Für eine Z-Diode mit U_Z = 10 V wird die Eingangsspannung dadurch geglättet beziehungsweise begrenzt und die Ausgangsspannung stabilisiert. Die Qualität wird mit dem Glättungsfaktor G und dem relativen Stabilisierungsfaktor S beschrieben:

G = (∂U_e/∂U_a) = 1 + R_V/r_Z + R_V/R_L ≈ R_V/r_Z, falls r_Z ≪ R_V, R_L

Der differentielle Widerstand r_Z soll möglichst klein sein. Mit r_Z = 5 Ω und R_V = 1000 Ω werden Eingangsspannungsschwankungen einschließlich Restwelligkeit auf 0,5 % reduziert.

Der relative Stabilisierungsfaktor lautet: S = [(∂U_e/U_e)/(∂U_a/U_a)] = (U_a/U_e) · G ≈ U_a · R_V/(U_e · r_Z)

Eine symmetrische Spannungsbegrenzung mit zwei anti-seriell geschalteten Z-Dioden begrenzt zusätzlich negative Eingangsspannungen auf −U_Z. Dabei fällt an der zweiten, in Durchlassrichtung leitenden Z-Diode noch die Durchlassspannung U_D einer normalen Diode ab. Spannungsregler ermöglichen eine wesentlich präzisere Spannungsstabilisierung.

Kennzeichnung

Das Gehäuse einer Z-Diode trägt an der Kathodenseite in der Regel einen Ring. Die Kennzeichnung entspricht damit den Kennzeichnungskonventionen anderer Dioden. Im Schaltzeichen werden Anode (A) und Kathode (K) unterschieden.