Durchbruchspannung
Einleitung
Die Durchbruchspannung der Diode ist die Spannung, ab der sich die Diode im Durchbruchbereich befindet. Die normale Diode kommt ab diesem Spannungswert in einen kritischen Bereich und kann zerstört werden.
Idealerweise fließt in Sperrrichtung kein Strom durch die Diode, wird allerdings der kritische Wert der Durchbruchspannung überschritten, kommt es zu einem starken Anstieg des Stroms, welcher letztlich die Diode zerstören kann.
In der Regel wird die Durchbruchspannung sorgfältig spezifiziert und in der normalen Diode vermieden, da sie zu Schäden führen kann.
Durchbruchspannung – Was ist das? – Erklärung
Die Diode kann entweder in Sperrrichtung oder in Flussrichtung betrieben werden.
Wird die Diode in Sperrrichtung betrieben, wird eine negative Spannung an die Diode angelegt. Wird diese negative Spannung allerdings erhöht, wird die Diode irgendwann zerstört. Man spricht hier vom Durchbruch der Diode.
Entsprechend bei einer hohen Sperrspannung ist in der Diodenkennlinie der Durchbruchbereich zu erkennen.
Als Durchbruchspannung wird die Spannung bezeichnet, bei welcher der Durchbruchbereich beginnt. Ab dieser Spannung kommt es bei der normalen Diode zur Zerstörung.
Diodenkennlinie Durchbruchspannung
Ganz konkret kann die Durchbruchspannung in der Diodenkennlinie ähnlich wie die Schwellspannung ermittelt werden.
Hierfür wird an die Kennlinie im Durchbruchbereich eine Tangente angelegt.
Der Schnittpunkt mit der X-Achse ergibt die Durchbruchspannung
Dotierkonzentration – Einfluss auf die Durchbruchspannung
Die Durchbruchspannung ist abhängig von der Dotierkonzentration des N- und P-dotierten Halbleiters.
Im untenstehenden Bild ist die Feldstärke über dem PN-Übergangs / der Diode zu sehen, bei unterschiedlichen Dotierkonzentrationen.
Links sieht man, bei starker Dotierkonzentration ist im thermischen Gleichgewicht die Feldstärke sehr nahe am Durchbruch. Es wird also nur wenig externe Spannung benötigt, damit die Diode in den Durchbruch geht.
Rechts sieht man die Diode mit schwacher Dotierung im thermischen Gleichgewicht. Die Feldstärke ist vergleichsweise weit entfernt von dem Durchbruch. Also wird vergleichsweise viel externe Spannung benötigt, um die Diode in den Durchbruch zu bekommen.
Hier sieht man also, dass bei einer starken Dotierung nur wenig Spannung von außen benötigt wird, damit die Diode in den Durchbruchbereich übergeht und bei schwacher Dotierung mehr Spannung benötigt wird, damit die Diode in den Durchbruch geht.
Die untenstehende Berechnung zeigt auch, dass das maximale Feld durch niedrigere Dotierung geringer wird. ND ist die Donatorenkonzentration. Vbi die eingebaute Spannung bzw die Diffusionsspannung, welche ebenfalls von der Dotierkonzentration abhängt.
Hieraus folgt, dass bei starker Dotierkonzentration die Durchbruchspannung geringer ist. Bei niedriger Dotierkonzentration ist die Durchbruchspannung höher.
Dies ergibt sich aus der oben gezeigten Theorie. Bei starker Dotierkonzentration wird nur eine kleine externe Spannung benötigt, dass sich die Diode im Durchbruch befindet.
Lawinen-Effekt & Zener-Effekt
Bei dem Durchbruch der Diode wirken im Wesentlichen 2 Effekte. Der sogenannte Zener-Effekt und der Lawinen-Effekt.
Bei niedrigeren Spannungen unterhalb von ca 5V wirkt ausschließlich der Zener-Effekt und bei Spannungen oberhalb von ca 7V ist der Lawinen-Effekt der dominierende Effekt.
Dazwischen basiert der Durchbruch sowohl auf dem einen als auch dem anderen Effekt.
Der ausführliche Artikel zum Durchbruch der Diode findet sich hier:
⇨ Durchbruch der Diode
Z-Diode
Es gibt verschiedene Diodenarten. Eine davon ist die sogenannte Z-Diode. Sie wird oft bei der Spannungsstabilisierung eingesetzt. Hierfür wird sie in Sperrrichtung betrieben. Das besondere ist, dass sich ihr normaler Betriebszustand im Durchbruchbereich befindet. Anders als bei der normalen Diode wird die Z-Diode im Durchbruchbereich nicht zerstört.
Die Durchbruchspannung ist deshalb ein wichtiger Parameter bei der Z-Diode.
Der ausführliche Artikel zur Z-Diode findet sich hier:
⇨ Z-Diode