Stabilisierungsdiode – Z-Diode

Diese speziellen Dioden verhalten sich in Durchlass- oder Vorwärtsrichtung geschaltet wie normale Siliziumdioden. Ihre besonderen Eigenschaften zeigen sie beim Betrieb in Sperr- oder Rückwärtsrichtung. Dort haben die Dioden eine eng begrenzte Durchbruchspannung mit steilem Stromanstieg. Die Dioden sind so dotiert, dass unter bestimmten Voraussetzungen ein dauerhafter Betrieb im Bereich des Steilanstiegs der Sperrkennlinie möglich ist, ohne das Bauteil zu zerstören. Diese Eigenschaften werden besonders in Schaltungen zur einfachen Spannungsstabilisierung genutzt.

Den Durchbruch im Sperrbereich erreicht man bei den Stabilisierungsdioden durch eine spezielle Dotierung. Es lassen sich Dioden mit Durchbruchspannungen zwischen 2 ... 200 Volt herstellen. Ab einer bestimmten Sperrspannung stehen plötzlich viele Ladungsträger zur Verfügung. Diese Beobachtung kann durch zwei Effekte, dem Zenereffekt und dem Lawineneffekt erklärt werden.

Der Zenereffekt

Bei hoch dotierten Siliziumdioden mit Durchbruchspannungen im Sperrbereich kleiner als 5 Volt sorgt der Zenereffekt für den Stromanstieg. Innerhalb der Sperrschicht wird ab einer bestimmten Spannung die elektrische Feldstärke so groß, dass durch sie die Elektronenpaarbindungen im Kristallgitterverband aufgebrochen werden. In der Sperrschicht bilden sich Ladungsträger, die den Zenerstrom bewirken. Dabei nimmt die elektrische Leitfähigkeit der Sperrschicht zu und der differenzielle Sperrschichtwiderstand ab.

Der Lawineneffekt

Für Durchbruchspannungen oberhalb von 6 Volt bewirkt bei schwach dotierten Siliziumdioden der Lawinen- oder Avalancheeffekt die Freisetzung von Ladungsträgern in der Sperrschicht. Die Ladungsträger werden durch das elektrische Feld der höheren Sperrspannung stark beschleunigt. Bei Kollisionen mit Bindungselektronen der Atomgitter werden weitere Elektronen freigeschlagen. Diese werden ebenfalls beschleunigt und können ihrerseits erneut Elektronen freisetzen. Dieser Vorgang der Stoßionisation wird auch Lawineneffekt genannt.

Beide Effekte, der Zener- und der Lawineneffekt, überlagern sich und zerstören den Halbleiter, sofern nicht bestimmte Grenzwerte eingehalten werden. Die Vorgänge in der Sperrschicht sind reversibel. Im Durchbruchbereich darf ein Maximalstrom nicht überschritten werden. Er errechnet sich aus der zulässigen Verlustleistung Ptot des Halbleiters. Diese Werte werden von der Fähigkeit bestimmt, die Wärmeenergie aus dem Kristall abzuführen.

Z-Diodenkennlinien

Das Bild zeigt den prinzipiellen Kennlinienverlauf einiger Z-Dioden. Im Durchlassbereich verhalten sich diese Dioden wie normale Siliziumdioden. Im Sperrbereich, wo die Kathode positiv gegenüber der Anode ist, kann je nach Diodentyp ab einer bestimmten Spannung ein steiler Stromanstieg beobachtet werden.

Dioden, die nach dem Zenereffekt leitend werden, haben eine flachere Kennlinie und der Knick im Bereich der Durchbruchspannung ist weniger scharf ausgeprägt. Bei Z-Dioden mit höherer Durchbruchspannung wirkt der Lawineneffekt. Die Kennlinie verläuft steiler und hat einen scharfen Knick bei UZ.

Im Bild mit eingezeichnet ist die Verlustleistungshyperbel für Dioden, deren maximale Leistung 1 Watt beträgt. Der Arbeitsbereich dieser Z-Dioden liegt zwischen IZmin und IZmax, der von der Ptot-Hyperbel bestimmt wird. Der minimale Z-Strom Izmin kann formelmäßig nicht ermittelt werden. Er muss aus dem Kennlinienverlauf abgelesen werden oder man benutzt einen Richtwert, der bei 10 % des maximalen Stromes IZmax liegt.

Der differenzielle Widerstand der Z-Diode wird durch die Steigung der Arbeitskennlinie im Durchbruchbereich bestimmt. Der Wert ist nicht konstant und errechnet sich zu rZ = ΔUZ / ΔIZ.
Z-Dioden zwischen 6 ... 10 Volt haben im Vergleich zu den anderen den geringsten differenziellen Widerstand, denn ihre Kennlinien verlaufen am steilsten.

Die Temperaturabhängigkeit der Z-Dioden

Halbleiter sind Heißleiter und besitzen einen negativen Temperaturkoeffizienten. Ihr Widerstandswert nimmt mit steigender Temperatur ab und die Spannung über dem Bauteil wird geringer. Ebenso verhalten sich die Stabilisierungsdioden, die den Zenereffekt nutzen. Ihr Temperaturbeiwert ist negativ. Mit zunehmender Erwärmung nimmt die Z-Spannung ab. Diese Dioden haben einen hohen Dotierungsgrad und demzufolge eine sehr dünne Sperrschicht. Die kritische Feldstärke, die den Zenereffekt auslöst, wird daher schon bei niedriger Spannung erreicht. Eine Energiezufuhr durch Temperaturerhöhung erleichtert das Auseinanderbrechen der Elektronenpaarbindungen im Kristallgefüge.

Z-Dioden, bei denen der Lawineneffekt die Hauptursache ist, besitzen dagegen einen positiven Temperaturkoeffizienten. Sie sind schwächer dotiert und ihre Grenzschicht ist daher breiter. Die kritische Feldstärke für den Zenereffekt liegt höher. Die Sperrspannung reicht jedoch aus, um in der breiteren Grenzschicht einige Minoritätsladungsträger so weit zu beschleunigen, dass sie durch Stoßionisation weitere Elektronen freischlagen. Dieser Lawineneffekt bewirkt den Ladungstransport durch die Sperrschicht.

Eine Temperaturerhöhung vergrößert die ungerichtete Bewegung der Elektronen und verringert somit deren freie Weglänge. Das wirkt einem Anwachsen des Lawineneffekts entgegen und erhöht den Widerstand in der Sperrschicht. Die Z-Spannung nimmt folglich mit steigender Temperatur zu.

Der Übergangsbereich beider Auslöseeffekte liegt bei 5 ... 6 Volt. Z-Dioden mit diesen Durchbruchspannungen sind weitgehend temperaturunabhängig. Sie haben zusätzlich den steilsten Kennlinienverlauf im Arbeitsbereich und somit den geringsten differenziellen Widerstand und damit die besten Stabilisierungseigenschaften. Die Abhängigkeit der Stabilisierungsspannung von der Temperatur ist durch die folgende Beziehung gegeben:

ΔUZ = UZ · αZ · ΔT

Darin ist αZ der Temperaturkoeffizient in 1/°C oder in 1/K und die Temperaturdifferenz ΔT in °C oder K. Die folgende Tabelle zeigt die vom Hersteller angegebenen typischen Kennwerte einiger Z-Dioden:

Diodentyp UZ in Volt
bei IZ = 5 mA
rZ in Ohm
bei IZ = 5 mA
αZ · 10−4/K
bei IZ = 5 mA
ZPD 2,7 2,4 ... 3,1 70 −9 ... −5
ZPD 4,7 4,1 ... 5,2 60 −6 ... 0
ZPD 6,8 6,1 ... 7,5 4 −1 ... +4
ZPD 8,2 7,3 ... 9,2 4 +2 ... +7
ZPD 12 10,7 ... 13,4 15 +6 ... +9
ZPD 15 13,0 ... 16,5 20 +7 ... +9