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Die Zenerdiode ist ein wichtiges Bauteil der Montageelektronik, auf das man manchmal einfach nicht verzichten kann. Eine scheinbar konventionelle, gewöhnliche Diode mit einem PN-Anschluss, aber mit interessanten Funktionen. Sie ist ein Element von Projekten in der Werkstatt eines Elektronikers, und nicht nur das, das man einfach kennen sollte. Schauen wir uns also die Zener-Diode genauer an.
Was ist eine Zener-Diode?
Eine Zenerdiode ist ein Halbleiterbauelement aus Silizium, das den Stromfluss in zwei Richtungen (“vorwärts” und “rückwärts”) ermöglicht. Sie wird manchmal auch als Stabilisator bezeichnet, obwohl dies eher selten vorkommt. Zenerdioden bestehen aus einem speziellen, stark dotierten p-n-Übergang, der bei Erreichen einer bestimmten Spannung in umgekehrter Richtung leitet. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Diode, die den Stromfluss in umgekehrter Richtung sperrt (wenn das Potenzial der Kathode höher ist als das der Anode), beginnt eine Zener-Diode in umgekehrter Richtung zu leiten, wenn diese Spannung eine bestimmte Schwelle überschreitet.
Funktionsweise der Zener-Diode
Herkömmliche Dioden sperren den Stromfluss, wenn das Kathodenpotenzial das Anodenpotenzial übersteigt, d. h. bei Sperrpolarität. Eine Zener-Diode leitet den Strom ohne Ausfall nach innen, wenn der Spannungswert einen Schwellenwert überschreitet. Außerdem bleibt der Spannungsabfall über der Diode über einen weiten Spannungsbereich konstant, wodurch sich Zenerdioden für die Spannungsregelung eignen.
Vieles hängt also von der Leitungsrichtung ab – und hier liegt der springende Punkt bei der Funktionsweise einer Zener-Diode. Wenn die Anode in Bezug auf die Kathode positiv gepolt ist, funktioniert die Zener-Diode wie eine herkömmliche Diode. Im umgekehrten Fall, d. h. wenn die Kathode gegenüber der Anode positiv gepolt ist und die Polarisierung negativ ist, kann die Zener-Diode bei Überschreiten der Spannung Strom leiten. Ihr wichtigster Parameter ist daher ihre Durchschlagsfestigkeit – die Durchbruchspannung. Im Spannungsbereich von 5-7 V kommt es zu einer gewissen Verschmelzung – Zener-Phänomen und Lawinendurchbruch, und bei Spannungen über 7 V tritt nur der Lawinendurchbruch auf.
Zener-Phänomen und Avalanche-Durchbruch
Es ist nicht schwer zu erraten, dass der Zener-Effekt (1934 von Clarence Melvin Zener entdeckt) in der Elektronik hauptsächlich im Zusammenhang mit der Diode im heutigen Artikel beschrieben wird. Er tritt bei stark dotierten p-n-Übergängen auf, die negativ polarisiert sind (Sperrvorspannung). Sie bezieht sich auf die Durchbruchspannung. Unter dem Einfluss einer hohen Sperrvorspannung dehnt sich der Verarmungsbereich des p-n-Übergangs aus, was zu einem starken elektrischen Feld am Übergang führt. Diese ausreichend starken elektrischen Felder ermöglichen es den Elektronen, durch das Verarmungsgebiet des Halbleiters zu tunneln, was zur Erzeugung zahlreicher freier Ladungsträger führt. Die plötzliche Erzeugung von Ladungsträgern führt zu einem raschen Anstieg des Sperrstroms und damit zu der hohen Leitfähigkeit der Zener-Diode.
Lawinendurchbruch
Beim Lawinendurchbruch liegt der Fall etwas anders. Der Zener-Effekt und der Lawinendurchbruchseffekt können sowohl gleichzeitig als auch unabhängig voneinander auftreten. Der Lawineneffekt kann in isolierenden und halbleitenden Materialien auftreten. Es handelt sich um eine Form der Stromvervielfachung, bei der sehr große Ströme in Materialien fließen können, die ansonsten gute Isolatoren sind. Es handelt sich um eine Art Elektronenlawine.
Materialien leiten Strom, wenn sie bewegliche Ladungsträger enthalten. Es gibt zwei Arten von Ladungsträgern in einem Halbleiter: freie Elektronen (bewegliche Elektronen) und Elektronenlöcher (bewegliche Löcher, denen Elektronen in normalerweise besetzten Elektronenzuständen fehlen). Ein normalerweise gebundenes Elektron, z. B. in einer Bindung, kann in einer Diode mit invertierter Vorspannung durch thermische Fluktuation oder Anregung wegbrechen. Es bildet dann ein bewegliches Elektron-Loch-Paar. Wenn im Halbleiter ein elektrisches Feld vorhanden ist, bewegt sich das Elektron in Richtung einer positiven Spannung, während sich das Loch in Richtung einer negativen Spannung bewegt. Normalerweise bewegen sich das Elektron und das Loch einfach zu den entgegengesetzten Enden des Kristalls und treten in ihre jeweiligen Elektroden ein.
Wenn das elektrische Feld stark genug ist, kann ein sich bewegendes Elektron oder Loch auf eine Geschwindigkeit beschleunigen, die hoch genug ist, um andere gebundene Elektronen zu verdrängen, wodurch mehr freie Ladungsträger entstehen, die den Strom erhöhen und zu weiteren Verdrängungsprozessen führen. Und schon haben wir eine Lawine!
Anwendungsbeispiel für eine Zenerdiode
Aufgrund der beschriebenen Eigenschaften eignen sich Zenerdioden als Spannungsregler, Referenzspannungsquelle in Stabilisatoren (Referenzspannung), Überspannungsschutz und in Schaltanwendungen. Erwähnenswert ist auch die Schutzwirkung der Zener-Diode: Steigt die Eingangsspannung auf einen Wert, der über der Zener-Durchbruchsspannung liegt, fließt Strom durch die Diode und erzeugt einen Spannungsabfall über dem Widerstand. Dadurch wird der SCR (siliziumgesteuerter Gleichrichter) ausgelöst und ein Kurzschluss zur Erde erzeugt. Der Kurzschluss öffnet die Sicherung, trennt die Last von der Stromversorgung und erzeugt so einen Überspannungsschutz. Der Stromanstieg kann schlagartig und schnell erfolgen, wenn die Polarisationsspannung einen Wert erreicht, der höher ist als die Kennlinie des Übergangs, aber die Zener-Diode erledigt den Rest und fällt nicht aus.
Die Zenerdiode wird während des Prototypings und des Schaltungsentwurfs häufig auf der Werkstattplatine untergebracht. In der praktischen Anwendung ist die Durchbruchspannungstoleranz von meist einigen Prozent wichtig. Beim Kauf sollte auch auf die Leistungs- und Spannungsparameter der Zenerdioden geachtet werden, die es in SMD-Oberflächenmontage- und THT-Durchstecklötversionen gibt. Interessante Tatsache: Man findet sie sogar in Geräten zur Erzeugung von Zufallszahlen und in der Kryptographie!
