Elektrotechnik Grundlagen

Die Z Diode (Zener Diode) gehört zur Familie der Dioden. In diesem Beitrag erfährst du, wie Z Dioden aufgebaut sind, wodurch sie charakterisiert werden und wie sie funktionieren. Mit unserem Video zu diesem Thema lernst du das Wichtigste in kürzester Zeit.

Inhaltsübersicht

Z Diode / Zener Diode einfach erklärt

Die Z Diode unterscheidet sich von „normalen“ Dioden in einem wichtigen Punkt: Während „normale“ Dioden in Durchlassrichtung betrieben werden, wird die Z Diode in Sperrrichtung verwendet.  

Die Z Diode ist leitend, wenn du an der Anode eine positive und an der Kathode eine negative Spannung anlegst. Wenn du aber die Polarität umkehrst, also aus einer positiven Spannung eine negative Spannung und umgekehrt machst, dann beginnen „normale“ Dioden zu blockieren; Z Dioden hingegen sind weiterhin leitend.

Die wichtigste Kenngröße in diesem Zusammenhang ist die Durchbruchspannung U_{BR} (manchmal auch Zener-Spannung oder Z-Spannung U_Z bezeichnet). Bis zu dieser Spannung blockieren auch Z Dioden in Sperrrichtung. Erreichst du aber die Durchbruchspannung, so steigt die elektrische Stromstärke schlagartig an. Anders als bei „normalen“ Dioden riskierst du dabei nicht, das Bauteil zu zerstören.

Deshalb findest du Z Dioden insbesondere in zwei Anwendungsformen: Zur Stabilisierung von Spannung und zum Schutz vor Überspannung (Spannungsbegrenzung).

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Z Diode in Sperrrichtung (R) vs. normale Diode in Durchlassrichtung (D).

Z Diode vs. Zener Diode vs. Avalanche-Diode

Der Zusatz „Z“ in Z Diode steht nicht für „Zener“. Das „Z“ symbolisiert den Verlauf einer typischen Kennlinie einer Z Diode. Diese Kennlinie betrachten wir weiter unten im Beitrag und im Video genauer.

Bei einer Z Diode sind im Wesentlichen zwei Effekte dafür verantwortlich, dass in Sperrrichtung ein hoher Strom fließen kann:

  • Der erste Effekt, der sogenannte Zener-Effekt, dominiert bei geringen Spannungen bis etwa 5 V. In diesem Zusammenhang kannst du von einer Zener Diode (auch Zenerdiode) sprechen.
  • Der zweite Effekt heißt Lawinen-Effekt oder Lawinendurchbruch. Das ist der dominierende Effekt bei Spannungen höher als 5 V. Hier solltest du (korrekterweise) von einer Z Diode (auch Z-Diode) sprechen. In diesem Fall wird oft auch die Bezeichnung Avalanche-Diode verwendet. Trotzdem findest du auch in diesem Bereich die Bezeichnung Zener Diode.

Lass dich aber durch die verschiedenen Bezeichnungen nicht verwirren. Ob Z Diode oder Zener Diode, beide beschreiben eine wesentliche Charakteristik: Die Diode wird in Sperrrichtung betrieben und hat eine klar definierte Durchbruchspannung. Je nach Spannungswert können der Zener Effekt, der Lawinen-Effekt (auch Avalanche Effekt) oder beide Effekte gleichzeitig auftreten

Z Diode Funktion

In diesem Abschnitt schauen wir uns an, wie Z Dioden prinzipiell aufgebaut sind, wie ihr Schaltzeichen aussieht und gehen etwas näher darauf ein, wie sie funktionieren.

Aufbau und Schaltzeichen

Die Z Diode besteht aus zwei dotierten Halbleiterschichten . Du hast eine stark p-dotierte Schicht, die in Kontakt mit einer stark n-dotierten Schicht gebracht wird. Diese beiden dotierten Schichten bilden den p-n-Übergang.

Die p-dotierte Schicht stellt die Anode (A) dar, die n-dotierte Schicht die Kathode (K). Die Sperrrichtung entspricht der Situation, bei der die Spannung an der Anode negativer gegenüber der Spannung an der Kathode ist. Erreichst du dann die Durchbruchspannung, wird die Z Diode leitend.

Das Schaltzeichen besteht aus einem Dreieck. An der Spitze des Dreiecks findest du meistens ein umgekehrtes „L“. Du kannst aber hier auch auf eine Art langgezogenes „Z“ treffen. Beide Schaltzeichen kannst du im Bild unten sehen.

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Z-Diode schematischer Aufbau (links) und elektrisches Schaltzeichen (rechts).

Funktionsweise

Sobald du bei Halbleiter-Dioden die Durchbruchspannung erreichst, lassen sie auch in Sperrrichtung einen enormen Stromfluss zu. Wenn du diesen Stromfluss nicht mit anderen Bauelementen (z. B. Widerständen ) begrenzt, wirst du die Dioden durch Überhitzung zerstören.

Zener Dioden werden so konstruiert, dass deren Durchbruchspannung einen ganz bestimmten Wert besitzt und sie im Bereich der Durchbruchspannung betrieben werden können. Die Werte der Durchbruchspannung können wenige Volt bis hin zu mehreren hundert Volt betragen.

Über einen weiten Bereich von Stromstärken entspricht dann der Spannungsabfall über die Zenerdiode genau der Durchbruchspannung. Aus diesem Grund werden solche Dioden insbesondere als Referenz-Spannungsquellen und zur Stabilisierung von Spannungen verwendet.

Zener-Effekt

Solange die Durchbruchspannung unterhalb 5 V liegt, dominiert der Zener-Effekt. Was passiert aber genau beim Zener-Effekt? Durch die starke Dotierung der Halbleiterschichten ist die Dicke der Raumladungszone gering und entsprechend das elektrische Feld innerhalb dieser Zone sehr stark.

Wenn du jetzt die Spannung an der Kathode gegenüber der Anode positiver machst, beginnt sich die Raumladungszone auszuweiten. Gleichzeitig wird das elektrische Feld innerhalb dieser Zone immer stärker.

Sobald du die Durchbruchspannung erreicht hast, ist das elektrische Feld so stark, dass Elektronen aus dem Valenzband der p-dotierten Schicht in das Leitungsband der n-dotierten Schicht tunneln können. Das heißt, die Elektronen schaffen es in das Leitungsband überzugehen, obwohl sie eigentlich nicht die notwendige Energie dafür besitzen. Es entstehen also freie Ladungsträger, die dann zum Stromfluss in Sperrrichtung beitragen. 

Lawinen-Effekt

Bei Spannungen oberhalb von 5 V dominiert der Lawinen-Effekt. Hier werden beim Erreichen der Durchbruchspannung freie Ladungsträger durch ein elektrisches Feld so stark beschleunigt, dass sie andere gebundene Ladungsträger „herausschlagen“ können. Die beschleunigten Ladungsträger „wandeln“ also gebundene Ladungsträger zu freie Ladungsträger um. Mit anderen Worten: Die Stromstärke steigt.

Diese „neuen“ freien Ladungsträger werden ebenfalls beschleunigt und können andere gebundene Ladungsträger „herausschlagen“. So steigt innerhalb eines kurzen Zeitraumes die Stromstärke rapide an.

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Lawinen-Effekt (Avalanche Effekt) illustriert.

Zener-Effekt vs. Lawinen-Effekt

Beide Effekte treten bei Durchbruchspannungen im Bereich von 5 V gleichzeitig auf. Unterhalb von 5 V dominiert der Zener-Effekt, oberhalb der Lawinen-Effekt.

Der entscheidende Unterschied ist hier, dass beim Lawinen-Effekt der Durchbruch dadurch zustande kommt, dass freie Ladungsträger stark genug beschleunigt werden. Beim Zener-Effekt ist der entscheidende Mechanismus der Tunnel-Effekt.

Z Diode (Zener Diode) Kennlinie

Die Kennlinie bei Zener Dioden beschreibt den Verlauf des Stromflusses durch die Zener Diode in Abhängigkeit der Spannung über der Zener Diode. Diese Kennlinie hießt daher I-U-Kennlinie.

Charakteristisch bei Z Dioden ist der „Z“-förmige Verlauf der Kennlinie. Bei Durchbruchspannungen unter 5 V, wo also der Zener-Effekt dominiert, sind die „Ecken“ des „Z“-förmigen Verlaufs abgerundet. Dominiert hingegen der Lawinen-Effekt, so ist der Verlauf deutlich steiler. In diesem Fall ähnelt die Kennlinie stärker einem „Z“.

Die Spannung in Durchlassrichtung wird mit U_F und der entsprechende Strom mit I_F bezeichnet. In Sperrrichtung wird die Spannung für gewöhnlich mit U_R und der Strom mit I_R abgekürzt. Für die Durchbruchspannung findest du oft die Bezeichnung U_{BR}, U_{Z0} oder U_Z.

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Typische Kennlinie einer Z-Diode (links) und verschiedene Kennlinienverläufe (rechts)

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