Was sind Zener-Dioden?

Dieser Leitfaden veranschaulicht den allgemeinen Zweck von Dioden und die wichtige Rolle, die Zener-Dioden in der modernen Technik spielen.

In der Elektronik bezeichnet der Zener-Effekt, benannt nach der US-amerikanischen Physikerin Clarence Zener, das Auftreten eines Stroms (Zener-Strom) in umgekehrter Richtung in einer hochdotierten Halbleitersperrschicht aufgrund freier Ladungsträger.

Eine Diode ist ein Halbleiter, der im Wesentlichen als Einwegstromschalter fungiert. Sie lässt den Strom in eine Richtung fließen, verhindert aber strikt, dass er in die entgegengesetzte Richtung fließt. Dioden werden auch als Gleichrichter bezeichnet, weil sie Wechselstrom (AC) in pulsierenden Gleichstrom (DC) umwandeln. Dioden werden nach ihrem Typ, ihrer Spannung und ihrer Strombelastbarkeit eingeteilt.

Dioden sind durch ihre Polarität gekennzeichnet, die durch eine Anode (positiver Anschluss) und eine Kathode (negativer Anschluss) bestimmt wird. Die meisten Dioden lassen nur dann Strom fließen, wenn eine positive Spannung an die Anode angelegt wird.

Bei einer Zener-Diode fließt der Strom von der Anode zur Kathode, wenn sie direkt gepolt ist, wie bei einer normalen Diode. In Sperrrichtung lässt die Zener-Diode ebenfalls Strom fließen, wenn die Spannung an ihren Enden den Wert der Zenerspannung der Diode erreicht. Dieser Dioden-Typ hat einen hochdotierten p-n-Übergang, der eine Durchbruchs-Sperrspannung mit einem gut definierten Knickpunkt ermöglicht, der hohe Strominkremente mit kleinen Inkrementen der angelegten Sperrspannung erlaubt, so dass, solange der Strom einen bestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, eine feste Spannung an ihren Enden möglich ist.

Normale Dioden können nicht im Durchbruchsbereich arbeiten, Zener-Dioden hingegen schon, wenn die Leistungsaufnahme innerhalb der Grenzen liegt. Zener-Dioden sehen genauso aus wie normale Dioden, aber das Symbol, das für die Zener-Diodenschaltung verwendet wird, hat gewellte Enden an der Kathodenlinie.

Was den Temperaturkoeffizienten betrifft, so hat der Zener-Effekt einen negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass er mit der Temperatur abnimmt. Der Avalanche-Break-Effekt hingegen wird mit steigender Temperatur größer.

Der erste Effekt bewirkt also, dass die Zener-Spannung mit der Temperatur abnimmt, und der zweite Effekt bewirkt, dass sie bei Dioden mit einer Spannung von weniger als 5,6 V mit der Temperatur abnimmt, bei Dioden mit einer Spannung von mehr als 5,6 V steigt die Spannung mit der Temperatur an. Bei Dioden mit einer Spannung von 5,6 V gleichen sich diese beiden Effekte aus, so dass sich die Zenerspannung mit der Temperatur leicht ändert.

Wofür benötigt man Dioden?

Die Hauptfunktion einer idealen Diode besteht darin, die Richtung des Stromflusses zu steuern. Der Strom, der durch eine Diode fließt, kann nur in eine Richtung fließen, nämlich in Vorwärtsrichtung. Strom, der in die entgegengesetzte Richtung zu fließen versucht, wird blockiert. Sie sind wie Einwegventile in der Elektronik.

Wenn die Spannung an den Enden einer Diode negativ ist, kann kein Strom fließen, und die ideale Diode stellt einen offenen Stromkreis dar. In einem solchen Fall wird die Diode als ausgeschaltet oder umgekehrt gepolt bezeichnet.

Wenn die Spannung an den Enden der Diode nicht negativ ist, ist sie „eingeschaltet“ und leitet Strom. Wenn eine Diode Strom leitet, ist sie gepolt.

Im Idealfall blockieren Dioden jeglichen Stromfluss in umgekehrter Richtung oder wirken einfach als Kurzschluss, wenn der Strom in Vorwärtsrichtung fließt. Leider ist das tatsächliche Verhalten von Dioden nicht ganz ideal. Dioden verbrauchen eine bestimmte Menge an Energie, wenn sie eine bestimmte Strommenge leiten, und sperren nicht den gesamten Rückstrom. In der realen Welt sind Dioden etwas komplizierter, und alle haben einzigartige Eigenschaften, die ihr tatsächliches Verhalten bestimmen.

Zener-Dioden, auch Z-Dioden genannt, werden verwendet, um absichtlich einen Sperrstrom zu leiten. Zener-Dioden sind so konstruiert, dass sie eine sehr genaue Durchbruchspannung haben, die so genannte Zener-Durchbruchspannung oder Zener-Spannung. Sie sind so konstruiert, dass sie den so genannten Avalanche-Betrieb ausnutzen, d. h. sie verfügen über besondere Eigenschaften, um in der Durchbruchzone Leistung abzugeben.

Auf diese Weise bleibt die Spannung an den Enden der Diode annähernd konstant, wenn sich der Strom ändert, so dass die Diode eine relativ konstante Referenzspannung liefern kann.

Zener-Dioden werden als Spannungsregler für kleine Lasten verwendet, sind aber für Schaltungen mit großen Stromstärken nicht geeignet.

Welches Material ist maßgebend?

Die meisten Dioden werden aus Halbleitermaterialien wie Silizium, Germanium oder Selen hergestellt. Einige Dioden bestehen aus Metallelektroden in einer evakuierten Kammer oder sind mit einem reinen elementaren Gas bei niedrigem Druck gefüllt.

Silizium wird in der Regel gegenüber Germanium oder Selen bevorzugt, da Dioden mit höheren Strömen und höheren Sperrschicht-Temperaturen arbeiten können und einen höheren Sperrschichtwiderstand aufweisen. Die Kristallstruktur von Germanium wird bei höheren Temperaturen zerstört. Die Herstellungskosten und die Unbeständigkeit der Germanium-Diode machen sie billiger als die Silizium-Diode. Außerdem hat Silizium einen viel geringeren Leckstrom als Germanium. Selen-Dioden haben eine relativ niedrige maximale Sperrspannung und einen geringen Widerstand.

Um eine Diode mit hoher Schaltgeschwindigkeit zu erhalten, werden Dioden oft mit Verunreinigungen wie Gold und Platin dotiert, um ihre Lebensdauer zu erhöhen. Die Schottky-Diode zum Beispiel hat einen geringen Durchfluss-Spannungsabfall und ein sehr schnelles Schaltverhalten. Typische Metalle, die für Schottky-Dioden verwendet werden, sind Molybdän, Platin, Chrom, Wolfram oder Aluminium.

Arten von Dioden

Neben den Zener-Dioden gibt es viele andere Typen mit unterschiedlichen Eigenschaften, die sich durch ihr Aussehen, ihre Materialien, Verunreinigungen usw. unterscheiden. Es handelt sich um Dioden, die unter bestimmten Umständen verwendet werden.

Die Gunn-Dioden weisen unter bestimmten Bedingungen einen negativen Widerstand auf und sind besonders für Mikrowellenoszillatoren geeignet.

Die Varicap-Diode wurde so konzipiert, dass sie bei umgekehrter Polarität wie ein Kondensator funktioniert. Sie wird vor allem in Schaltungen verwendet, in denen Kapazitätsänderungen unvermeidlich sind.

Die LED-Diode erzeugt durch eine Kombination von Ladungsträgern Photonen und emittiert somit Licht. Sie bilden die Grundlage für zahlreiche moderne Beleuchtungssysteme.

Die Laser-Diode ist der LED ähnlich, erzeugt aber ein Laserlicht. Sie wird dementsprechend dort eingesetzt, wo ein Laserlicht zum Lesen von Strichcodes usw. benötigt wird.

Die Schottky-Diode ist eine Schalt-Diode, die ihren eigenen Zustand innerhalb kurzer Zeit zwischen stromführend und leitend umschalten kann. Die nach dem deutschen Physiker Schottky benannte Diode wird dort eingesetzt, wo eine hohe Schaltgeschwindigkeit erforderlich ist, z. B. in integrierten Schaltungen. Sie unterscheidet sich von anderen Dioden dadurch, dass sie nur zwei Schichten von Halbleitern enthält. Sie wird in digitalen Zählern und Zeitschaltungen verwendet.

Es gibt Dioden, die den Strom auf einen Höchstwert begrenzen können. Auf diese Weise schützen sie das System vor Kurzschlüssen. Solche Dioden werden Konstantstrom-Dioden genannt (auf Englisch: current limiting diode - CLD).

Anwendungsbereiche der Dioden

Dioden dienen als Transformatoren in Schaltkreisen, wo sie den Stromfluss steuern und möglicherweise gleichrichten. Sie wird auch in Signalbegrenzern, Spannungsreglern, Gleichrichtern, Schaltern, Modulatoren und vielen anderen verwendet. Er ist ein Grundelement von Operationsverstärkern und Transistoren. Sie können negative Signale aus dem Wechselstrom entfernen (Demodulation). Dank dieser Eigenschaft können Dioden zum Beispiel als Filtersystem fungieren, um Funksignale aus einer Trägerwelle zu extrahieren.

Da Dioden die Ausführung von digitaler Logik unterstützen, werden sie in modernen Prozessoren eingesetzt.

Zusammenfassung: Zener Dioden

In diesem Leitfaden wird erklärt, wie die Hauptfunktion einer Diode darin besteht, die Richtung des Stromflusses zu steuern. Zener-Dioden können den Stromfluss in beide Richtungen steuern und liefern eine stabile Referenzspannung. Auch andere Diodentypen werden in diesem Leitfaden erläutert und ihre wichtigsten Anwendungsbereiche aufgelistet.

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