Z-Diode / Zener-Diode
Einleitung
Bei der Z-Diode / Zener-Diode handelt es sich um eine bestimmte Diode Art.
Der Halbleiteraufbau ist dem der normalen Diode sehr ähnlich. Grundsätzlich ist auch die Funktion der Z-Diode gleich. Allerdings wird diese Diode anders eingesetzt. Sie wird oft zur Spannungsstabilisierung eingesetzt.
Aufbau
Schaltzeichen
Eigenschaften
– geringe Sperrschichtbreite
– hohe Sperrschichtkapazität
– geringe Durchbruchspannung
Anwendung
– Spannungsstabilisierung
– Schutz vor Überspannungen
Funktion / Erklärung
Die Funktion der Z-Diode ist zunächst gleich wie bei der normalen Diode. Strom fließt im Flussbereich durch die Z-Diode und im Sperrbereich sperrt sie.
Der Unterschied liegt im Durchbruchbereich. Hier hat die Z-Diode einen scharfen Knick (siehe Kennlinie). Z.Dioden sind speziell dafür entwickelt, für den Dauerbetrieb im Durchbruchbereich betrieben zu werden. Dabei werden sie entsprechend nicht zerstört.
(Die normale Diode wird im Durchbruchbereich zerstört)
⇨ Durchbruch der normalen Diode
In der Anwendung wird die Z-Diode hauptsächlich im Durchbruchbereich betrieben. Deshalb ist auch die Durchbruchspannung die Hauptkenngröße der Z-Diode.
Typischerweise liegen die Nennwerte für die Durchbruchspannung bei handelsüblichen Z-Dioden zwischen etwa 2V und 200V.
Erreicht wird das Verhalten durch eine hochdotierte n+ und p+ Dotierung. Im Folgenden Abschnitt fokussieren wir uns speziell auf den Halbleiteraufbau / auf die Halbleiterfunktion.
Kennlinie der Z-Diode
Wie bereits erklärt, verhält sich die Z-Diode in Flussrichtung wie die normale Diode (Schwellspannung bei ca 0,7V). Dies ist auch in der Kennlinie erkennbar. Beide Kennlinien gleichen sich nämlich in Flussrichtung.
In Sperrrichtung unterscheiden sich beide Diode. Bei niedrigen Sperrspannungen sind sie ähnlich. Allerdings im Durchbruchbereich unterschiedlich. Hier hat die Kennlinie der Z-Diode einen starken Knick an der Stelle wo Durchbruch einsetzt.
Zudem verläuft die Kennlinie sehr steil.
⇨ Diodenkennlinie der „normelen“ Diode
Bei der Z-Diode wird die Kennlinie in 4 Bereiche unterteilt. Einmal der klassische Durchlassbereich. In Sperrrichtung bei geringen Sperrspannungen gibt es den Sperrbereich. Irgendwann steigt der Strom an und es entsteht der Knick. Dieser wird als Knickbereich bezeichnet. Wenn die Kennlinie linear wird, tritt der Durchbruchbereich ein. In diesem Bereich wird die Z-Diode typischerweise betrieben. Hier ist die Kennlinie sehr steil. So bewirkt eine große Stromänderung IZ nur eine kleine Spannungsänderung UZ. Ausführlicher beschäftigen wir uns hiermit unten im Abschnitt “Anwendungen” nochmal konkreter.
Durchbruch Mechanismus / Arten von Z-Dioden
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.
Von den beiden Effekten abgeleitet unterteilt man die Z-Dioden in Zener- und Avalanche-Dioden. Oft wird für die Z-Diode der Allgemeine der Begriff Zener-Dioden verwendet.
Im unten dargestellten Bild sind verschiedene Z-Dioden Kennlinien abgebildet mit verschiedenen Durchbruchspannungen. Zu sehen ist, dass bei höheren Spannungen die Kurve wesentlich steiler ist, als bei niedrigeren Spannungen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Lawinen-Effekt zu steileren Kurven als der Zener-Effekt.
Schaltzeichen / Symbol der Z-Diode
Das Schaltzeichen der Z-Diode ähnelt dem der normalen PN Diode. Einziger Unterschied ist ein kleiner Strich wie im unteren Bild zu sehen.
Halbleiteraufbau und Halbleiterfunktion
Die Z-Diode basiert wie auch die normale Diode auf einem PN-Übergang – also auf einem n- dotierten und p-dotierten Halbleiter.
Dabei sind aber beide dotierten Halbleiter stark dotiert, also mit sehr vielen Fremdatomen. Deshalb wird jeweils ein “+” an die Bezeichnung gestellt.
Die hohe Dotierkonzentration führt zu einer sehr geringen Sperrschichtdicke und zu hohen Feldstärken im Bereich der Sperrschicht.
Bei der hohen Dotierkonzentration sind viele Ladungsträger und viele ionisierte Störstellen im Halbleiter verfügbar. Entsprechend auch an der Grenze. Rekombinieren diese ist schon nach kurzem die Diffusionsspannung aufgebaut.
Was bedeutet eine hohe Dotierkonzentration?
Durch die hohe / starke Dotierkonzentration hat die Z-Diode eine niedrigere Durchbruchspannung. Es gibt viele Z-Diode die ihre Durchbruchspannung bereits bei 5V haben, um beispielsweise Spannungen mit 5V zu stabilisieren. Mehr dazu unten in dem Abschnitt zu den Anwendungen.
Das Gute hierbei ist, dass die Durchbruchspannung abhängig ist von der Dotierung. Dadurch besteht die Möglichkeit, Z-Dioden mit unterschiedlichen Durchbruchspannungen herzustellen.
Um untenstehenden Bild ist die Feldstärke des PN-Übergangs / der Diode zu sehen, bei unterschiedlichen Dotierungen.
Links sieht man, bei starker Dotierung 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.
Betrachtet man das Verhalten im Bändermodell fällt auf, dass eine starke Dotierkonzentration eine starke Krümmung der Bänder garantiert. Dies ist wichtig, wenn wir uns die Durchbruchmechanismen anschauen.
Bei der stärkeren Dotierung ist das Fermi-Niveau jeweils näher an der Bandkante. Bei der schwachen Dotierung sind die Fermi-Niveaus entsprechend weiter entfernt. Durch das Zusammenfügen beider Halbleiter gleichen sich die Fermi-Niveaus an.
Entsprechend ergibt sich eine stärkere Krümmung der Bänder bei der starken Dotierung.
Vorteile und Nachteile
Möchte man die Vor- und Nachteile der Z-Diode betrachten, kommt es natürlich auf das Einsatzgebiet an. Für die entsprechenden Anwendungen einer Z-Diode hat sie Vorteile. Wird sie allerdings in anderen Anwendungsgebieten eingesetzt, ergeben sich Nachteile. Es kommt also auf den Einsatzzweck an. Dies ist im Folgenden auch zu erkennen.
Ein Nachteil entsteht durch die oben beschriebene geringe Sperrschichtdicke. Dies führt zu einer großen Sperrschichtkapazität. Die Sperrschichtkapazität ist allerdings nur ggf im Schaltverhalten ein Problem. Allerdings findet die Z-Diode normalerweise nicht im Schaltbetrieb Anwendung.
⇨ Sperrschichtkapazität
Ebenfalls oben erklärt, führt die geringe Sperrschichtbreite zu einer niedrigen Durchbruchspannung. Dies ist bei der Z-Diode oft gewollt, bei der normalen Diode wäre dies allerdings auch ein Nachteil.
Wie anfangs bereits erklärt, kommt es auch auf das Einsatzgebiet / die Anwendung an. Z-Dioden haben vor allem Nachteile, wenn sie wie normale Dioden eingesetzt werden.
Anwendung
Zur Anwendung kommt die Z-Diode oft bei der Spannungsstabilisierung.
Wie beschrieben wird sie hierfür in Sperrrichtung betrieben, sodass der Arbeitspunkt im Durchbruchbereich liegt.
Wie auch bei der normalen Diode wird bei der Z-Diode der Arbeitspunkt ermittelt.
⇨ Arbeitspunkt der Diode ermitteln
Die Idee daher ist, dass hier die Kennlinie sehr steil ist und sich bei der Spannungsänderung der Arbeitspunkt spannungsbezogen nur gering verschiebt. Also durch die steile Kennlinie bleibt die Spannung über der Z-Diode ungefähr gleich.
In der unten dargestellten Schaltung ist dies auch zu sehen und wird hier in einem kurzen Beispiel gezeigt.
Die Stabilisierung ist umso besser, je steiler die Diodenkennlinie verläuft. Das bedeutet, je kleiner der differentielle Innenwiderstand der Diode im Durchbruchbereich ist.
Normalerweise wird im Datenblatt einer Z-Diode wird vom Hersteller ein Arbeitspunkt angegeben, in dem die Z-Diode betrieben werden soll.
Eine weitere Anwendung ist beim Schutz vor Überspannungen.
Beispiel Z-Diode Spannungsstabilisierung
Im untenstehenden Beispiel ist eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung mit der Z-Diode gezeigt.
Wenn wir uns hierzu nun die Diodenkennlinie anschauen, müssen wir zunächst beachten, dass der erste Quadrant mit dem dritten Quadrant vertauscht ist. (Da hier der Spannungspfeil entsprechend umgedreht anliegt.)
⇨ Diodenkennlinie
Die Diode soll auf 5V stabilisieren. Dabei liefert die Spannungsquelle 10V und schwankt um 2,5V. Um zu schauen, ob das funktioniert, schauen wir uns die Arbeitspunkte an.
Dh wir bestimmen zunächst den Arbeitspunkt bei 5V.
Leerlaufspannung (bei 10V) = 10V
Kurzschlussstrom (bei 10V) = 10V/ 100Ohm = 0,1A
Leerlaufspannung (bei 12,5V) = 12,5V
Kurzschlussstrom (bei 12,5V) = 12,5V/100Ohm = 0,125A
Leerlaufspannung (bei 7,5V) = 7,5V
Kurzschlussstrom (bei 7,5V) = 7,5V/100Ohm = 0,075A
Alle Arbeitspunkte befinden sich wie gewünscht im Durchbruchbereich. Durch die steile Kennlinie im Durchbruchbereich liegen alle Arbeitspunkte ungefähr bei 5V. Das bedeutet, über die Z-Diode fällt immer ungefähr 5V ab, egal ob die Spannungsquelle 7,5V oder 12,5V liefert. Hiermit funktioniert unsere Z-Diode wie gewünscht zur Spannungsstabilisierung.
