Zener-Effekt
Bändermodell beim PN-Übergang / Diode
Ein PN-Übergang besteht aus 2 unterschiedlich dotierten Halbleitern. Einem N-dotierten Halbleiter und einem P-dotierten Halbleiter.
⇨ Grundlagen zum PN-Übergang
Fügt man beide dotierten Halbleiter zu einem PN-Übergang zusammen, verschieben sich beide Bändermodelle so, dass das Fermi-Niveau im gesamten PN-Übergang konstant ist.
⇨ Bändermodell PN-Übergang
Nun wird eine Spannung an den PN-Übergang angelegt, so wie es bei der Diode der Fall ist. Es verschieben sich die beiden Bändermodelle. (Das Fermi-Niveau ist nicht mehr konstant).
⇨ Bändermodell Diode
Das Bändermodell leitet sich im Grunde aus den Energiezuständen und somit aus der potentiellen Energie der Elektronen ab.
⇨ Was ist das Bändermodell überhaupt?
Deshalb verschiebt sich auch das Bändermodell, wenn das Potential bzw. die Spannung geändert wird.
Erklärung: Zener-Effekt
Befindet sich die Diode nun in Sperrrichtung, ist zwischen N- und P-Bereich eine Barriere. Die freien Elektronen (im Leitungsband) der N-dotierten Seite können so nicht zur P-Dotierten Seite fließen.
Damit der Zener-Effekt eintritt, muss einerseits die Dotierkonzentration hoch sein, damit die Sperrschicht dünn ist. Zudem muss eine sehr hohe Sperrspannung anliegen. Diese muss so hoch sein, dass im Bändermodell das Valenzband des P-Bereichs energetisch auf gleicher Höhe wie das Leitungsband des N-Bereichs ist.
Nun kann es zum sogenannten Tunneleffekt kommen.
Dabei handelt es sich um einen Quanten-Mechanischen Effekt.
Die zuvor beschriebenen Voraussetzungen zum Zener-Effekt haben zur Folge, dass die Elektronen aus dem Valenzband des P-Halbleiters durch die Barriere „durchtunneln“ zum N-Halbleiter. Im N-Halbleiter befinden sie sich nun im Leitungsband. Es handelt sich somit um freie Elektronen.
Der Zener-Effekt hat also zur Auswirkung, dass Elektronen aus dem Gitterverbund des P-Halbleiters herausgerissen werden und zu freien Elektronen im N-Halbleiter werden.
Wie auch beim Leckstrom, hat die Sperrspannung zur Folge, dass diese Ladungsträger beschleunigt werden.
Eine konkretere Erklärung hierzu:
⇨ Leckstrom / Sperrstrom
Entsprechend führt der Zener-Effekt zu einem Stromanstieg, obwohl sich die Diode in Sperrrichtung befindet.
Einfluss der Dotierkonzentration
Je nachdem wie stark die Halbleiter dotiert sind, ist die Sperrschicht unterschiedlich weit.
Das heißt konkret: Sind die Halbleiter hoch dotiert, ist die Raumladungszone nicht sonderlich breit.
Geringe Konzentration
Diese geringe Sperrschicht (bei hoher Dotierkonzentration) ist auch im Bändermodell zu sehen.
Geringe Konzentration
Zusammenfassung: Voraussetzung Zener-Effekt
Hohe Dotierkonzentration -> Geringe Sperrschichtweite.
Hohe Sperrspannung -> Damit im Bändermodell Valenzband-P-Halbleiter auf gleichem Energie-Level liegt wie Leitungsband-N-Halbleiter
Kennlinie
Die beiden Betriebsarten der Diode lassen sich auch in der Kennlinie erkennen. Man unterscheidet zwischen Flussbereich und Sperrbereich.
Der Sperrbereich befindet sich im 3. Quadranten des Diagramms.
Bei niedriger negativer Spannung fließt ein geringer Leckstrom. Dieser ist aber über einen bestimmten Größenraum konstant.
⇨ Leckstrom / Sperrstrom
Bei einer höheren Sperrspannung beginnen die Durchbruch-Effekte zu wirken. Der Lawinen-Effekt und der Zener-Effekt treten nebeneinander auf. Beide Effekte treten praktisch gleichzeitig auf. Jedoch überwiegt bei Spannungen unter ungefähr 5,5V der Zener-Effekt und bei Spannungen darüber überwiegt der Lawineneffekt. Beide Effekte sind allerdings temperaturabhängig.
Reversibler Effekt?
Der Zener-Effekt zerstört die Diode nicht. Es handelt sich also um einen reversiblen Effekt (umkehrbaren Effekt). Durch den Zener-Effekt werden im N-Bereich viele freie Löcher erzeugt. Durch Anlegen einer Spannung in Flussrichtung können diese wieder mit Elektronen gefüllt werden.
Natürlich kann der Zener-Effekt nur rückgängig gemacht werden, wenn die Verlustleistungsgrenzen eingehalten werden. Wenn diese überschritten werden, tritt der thermische Durchbruch ein, welcher zur Zerstörung der Diode führt, was wiederum irreversibel – also nicht rückgängig machbar – ist.
⇨ Thermischer Durchbruch
Temperaturkoeffizient beim Zener-Effekt
Der Zener-Effekt hat einen negativen Temperaturkoeffizienten. Das bedeutet, die Durchbruchspannung sinkt mit steigender Temperatur.
Somit muss bei hoher Temperatur eine vergleichsweise niedrige Spannung anliegen, damit der Zener-Effekt eintritt. Bei einer niedrigen Temperatur tritt er bei hohen Spannungen ein.
⇨ Temperaturkoeffizient
Der Lawineneffekt hat hingegen einen positiven Temperaturkoeffizienten.
⇨ Lawineneffekt
Anders als beim Lawineneffekt ändert sich der Temperaturkoeffizient nicht bei Veränderung der Durchbruchspannung. Beim Zener-Effekt liegt der Temperaturkoeffizient bei ungefähr −3 mV/K.