Z- Dioden
Bild 1: Schaltbild-symbol für eine Z–Diode
Bild 1: Schaltbild-symbol für eine Z–Diode
Das Schaltbildsymbol einer Z-Diode zeigt das Bild 1. Beachte, dass der pn- Übergang in Sperrrichtung geschaltet ist. Jede Z-Diode hat eine spezielle Durchbruchsspannung, ab der trotz Sperrrichtung ein starker Stromfluss erfolgt, der durch die Minoritätsträger verursacht wird.
Z- Dioden verschiedener Bauformen werden für viele Anwendungsmöglichkeiten hergestellt, meist werden sie jedoch zur Spannungsregulierung eingesetzt. Denn erst wenn die Durchbruchsspannung erreicht ist, fließt ein Strom, welcher dann durch den Spannungsabfall über einen Vorwiderstand dazu verwendet wird, die Ausgangspannung der Schaltung konstant zu halten.
Wenn ein pn- Übergang in Sperrrichtung betrieben wird, dann bewegen sich die Ladungsträger vom pn- Übergang weg und die Raumladungszone vergrößert sich. Das betrifft nicht nur die Majoritätsträger (Elektronen) als auch die Minoritätsträger (Löcher), wie im Bild 2 gezeigt wird. Ein Stromfluss durch die Majoritätsträger wird durch den sehr großen Widerstand der Raumladungszone verhindert. Ein Reststrom wird durch Minoritätsträger (Löcher) verursacht, der bis zur Durchbruchsspannung fast konstant bleibt. Wenn diese Durchbruchsspannung erreicht wird, dann steigt der Stromfluss lawinenartig an. Nicht jede Diode ist geeignet, diese Leistung, die durch diesen Stromfluss erreicht wird, zu überstehen. Z- Dioden sind jedoch für genau diesen Betriebsmodus konstruiert.
Bild 2: Größe der Raumladungszone
Bild 2: Größe der Raumladungszone
Früher wurden Z-Dioden „Zener- Dioden“ genannt. Der „Zener- Effekt” wurde durch Dr. Carl Zener im Jahre 1934 erstmals beschrieben und als als „Quantenmechanische Tunnelung” bezeichnet. Jedoch kann der „Zener- Effekt“ nur die Vorgänge in Z-Dioden mit einer Durchbruchsspannung unter 5 Volt beschreiben. Bei größeren Durchbruchsspannungen wird der sogenannte „Lawineneffekt“ zur Erklärung der Funktion herangezogen. Trotzdem wird der Name „Zener- Diode“ oft noch für beide Arten von Z- Dioden verwendet.
Der „Zener- Effekt“ kann mit Hilfe der Energiebänder in der Atomhülle beschrieben werden, von denen hier aber nur die äußeren beiden, das Leitungsband und das Valenzband von Interesse sind.
p-Material
n-Material
Bild 3: Energiebänder in einer Zenerdiode.
p-Material
n-Material
Bild 3: Energiebänder in einer Zenerdiode.
Bild 3 zeigt die Energiebänder in einer Zenerdiode. Diese Energiebänder haben im p- und n- dotiertem Halbleitermaterial ein unterschiedliches Energieniveau. Das Leitungsband vom n- dotierten Halbleitermaterial und das Valenzband vom p- dotierten Halbleitermaterial überlappen sich bei einer Zenerdiode. Unter diesen Bedingungen kann ab einer bestimmten Spannung Bindungselektronen des p- dotierten Halbleitermaterials die extrem dünn konstruierte Sperrschicht überwinden und in das Leitungsband des n- dotierten Halbleitermaterials eindringen. Dieser Vorgang wird „Tunneleffekt“ genannt und tritt bei Halbleitermaterial mit einer sehr großen Anzahl von Störatomen auf.
Eine zweite Theorie zur Erklärung der Durchbruchsspannung ist der sogenannte „Lawineneffekt“, welcher bei Durchbruchsspannungen über 5 Volt auftritt. Diese Dioden habe eine dünnere Raumladungszone als normale Dioden, die aber etwas dicker ist, als bei Zenerdioden. Die Dicke der Raumladungszone wird vergrößert durch eine kleinere Anzahl von Störatomen im Halbleitermaterial als bei Zenerdioden. Die Durchbruchsspannung kann durch unterschiedliche Dotierung Werte von 2 bis 200 Volt annehmen.
Bild 4: Lawineneffekt
Bild 4: Lawineneffekt
Der Mechanismus des Lawinendurchbruchs unterscheidet sich von Zenereffekt. In der Raumladungszone des pn- Überganges befinden sich abhängig von der Kristalltemperatur einige freie Leitungselektronen und die dazugehörigen Elektronenlöcher. Der Sperrstrom wird durch die Bewegung der Minoritätsträger (hier Elektronen) in Richtung des elektrischen Feldes (positive Spannung) verursacht. Wird diese Spannung vergrößert, dann erreicht sie einen kritischen Wert, ab dem die freien Elektronen mit den Atomen im Kristallgitter kollidieren und somit Energie an Bindungselektronen abgeben und diese aus deren Bindung herausschlagen. Diese Elektronen werden dann zu freien Leitungselektronen und werden ebenfalls durch das starke elektrische Feld beschleunigt, bis ein lawinenartiger Durchbruch durch die Sperrschicht erfolgt. Bild 4 zeigt eine symbolische Darstellung des Lawinendurchbruchs.
Bild 5: Kennlinie einer Z-Diode
Bei eine Sperrspannung etwas größer als die Durchbruchsspannung UD werden also durch den Lawineneffekt eine unbegrenzte Anzahl von freien Leitungselektronen erzeugt, so dass die Diode einen sehr kleinen Innenwiderstand erhält. Der Strom ist fast ein Kurzschlussstrom und wird nur durch die äußere Beschaltung mit Widerständen begrenzt. Diese müssen einen Wert haben, der ein thermische Überlastung der Z-Diode verhindert. Wird die Sperrspannung wieder auf einen Wert unterhalb der Durchbruchsspannung UD abgesenkt, dann bricht der Strom zusammen und die Z-Diode ist wieder gesperrt.