Wie eine Zenerdiode funktioniert
Eine Zenerdiode oder Zenerdiode (Halbleiter-Zenerdiode) ist eine spezielle Diode, die unter Sperrvorspannungsbedingungen des pn-Übergangs in einem stabilen Durchbruchmodus arbeitet. Bis dieser Durchbruch eintritt, fließt aufgrund des hohen Widerstands der geschlossenen Zenerdiode nur ein sehr kleiner Strom, der Leckstrom.
Wenn jedoch ein Fehler auftritt, steigt der Strom sofort an, da der Differenzwiderstand der Zenerdiode an diesem Punkt zwischen Bruchteilen und Hunderten von Ohm liegt. Auf diese Weise wird die Spannung an der Zenerdiode über einen relativ weiten Sperrstrombereich sehr genau gehalten.
Die Zener-Diode wird als Zener-Diode (von der englischen Zener-Diode) zu Ehren des Wissenschaftlers bezeichnet, der als Erster das Phänomen des Tunneldurchbruchs entdeckte, des amerikanischen Physikers Clarence Melvin Zener (1905 – 1993).
Der von Zener entdeckte elektrische Durchbruch des pn-Übergangs, der mit dem Tunneleffekt, dem Phänomen des Elektronenaustritts durch eine dünne Potentialbarriere, zusammenhängt, wird heute als Zener-Effekt bezeichnet, der heute in Halbleiter-Zenerdioden zum Einsatz kommt.
Das physikalische Bild des Effekts ist wie folgt.Bei der umgekehrten Vorspannung des pn-Übergangs überlappen sich die Energiebänder und Elektronen können aufgrund von vom Valenzband des p-Bereichs in das Leitungsband des n-Bereichs wandern elektrisches FeldDadurch erhöht sich die Zahl der freien Ladungsträger und der Sperrstrom steigt stark an.
Der Hauptzweck der Zenerdiode besteht also darin, die Spannung zu stabilisieren. Die Industrie produziert Halbleiter-Zenerdioden mit Stabilisierungsspannungen von 1,8 V bis 400 V, hoher, mittlerer und niedriger Leistung, die sich im maximal zulässigen Sperrstrom unterscheiden.
Auf dieser Basis werden einfache Spannungsstabilisatoren hergestellt. In den Diagrammen werden Zenerdioden durch ein dem Diodensymbol ähnliches Symbol gekennzeichnet, mit dem einzigen Unterschied, dass die Kathode der Zenerdioden in Form des Buchstabens „G“ dargestellt ist.
Zenerdioden mit latent integrierter Struktur und einer Stabilisierungsspannung von etwa 7 V sind die genauesten und stabilsten Festkörperspannungsreferenzquellen: Ihre besten Beispiele ähneln charakteristischerweise der normalen galvanischen Weston-Zelle (galvanische Quecksilber-Cadmium-Referenzzelle).
Zu einer besonderen Art von Zenerdioden gehören Hochspannungs-Lawinendioden („TVS-Dioden“ und „Suppressoren“), die häufig in Überspannungsschutzschaltungen aller Arten von Geräten eingesetzt werden.
Wie Sie sehen, arbeitet die Zenerdiode im Gegensatz zur herkömmlichen Diode auf dem umgekehrten Zweig der I-V-Kennlinie. Wenn an eine gewöhnliche Diode eine Sperrspannung angelegt wird, kann der Ausfall auf eine von drei Arten (oder auf einmal) auftreten: Tunneldurchbruch, Lawinendurchbruch und Durchbruch aufgrund thermischer Erwärmung durch Leckströme.
Der thermische Durchbruch von Silizium-Zenerdioden ist nicht wichtig, da sie so konstruiert sind, dass entweder ein Tunneldurchbruch, ein Lawinendurchbruch oder beide Arten von Durchbrüchen gleichzeitig auftreten, lange bevor der Trend zum thermischen Durchbruch auftritt. Serien-Zenerdioden bestehen derzeit überwiegend aus Silizium.
Ein Durchbruch bei einer Spannung unter 5 V ist eine Manifestation des Zener-Effekts, ein Durchbruch über 5 V ist eine Manifestation eines Lawinendurchbruchs. Eine Zwischendurchbruchspannung von etwa 5 V ergibt sich normalerweise aus einer Kombination dieser beiden Effekte. Die Stärke des elektrischen Feldes beträgt im Moment des Durchbruchs der Zenerdiode etwa 30 MV/m.
Der Durchbruch der Zenerdiode tritt in mäßig dotierten p-Typ-Halbleitern und stark dotierten n-Typ-Halbleitern auf. Mit zunehmender Sperrschichttemperatur nimmt die Ablösung der Zenerdiode ab und der Beitrag des Lawinendurchbruchs nimmt zu.
Zenerdioden haben die folgenden typischen Eigenschaften. Vz – Stabilisierungsspannung. Die Dokumentation gibt für diesen Parameter zwei Werte an: die maximale und die minimale Stabilisierungsspannung. Iz ist der minimale Stabilisierungsstrom. Zz ist der Widerstand der Zenerdiode. Izk und Zzk – Strom und dynamischer Widerstand bei Gleichstrom. Ir und Vr sind der maximale Leckstrom und die maximale Leckspannung bei einer bestimmten Temperatur. Tc ist der Temperaturkoeffizient. Izrm – maximaler Stabilisierungsstrom der Zenerdiode.
Zenerdioden werden häufig als unabhängige Stabilisierungselemente sowie als Referenzspannungsquellen (Referenzspannungen) in Transistorstabilisatoren verwendet.
Um kleine Referenzspannungen zu erhalten, werden Zenerdioden wie gewöhnliche Dioden auch in Durchlassrichtung eingeschaltet, dann beträgt die Stabilisierungsspannung einer Zenerdiode 0,7 bis 0,8 Volt.
Die maximale Verlustleistung des Körpers einer Zenerdiode liegt typischerweise im Bereich von 0,125 bis 1 Watt. Dies reicht in der Regel für den normalen Betrieb von Schutzschaltungen gegen Impulsrauschen und für den Aufbau von Stabilisatoren geringer Leistung aus.