Ein Übergang, der sicher durchbrechen darf
Eine gewöhnliche Diode wird zerstört, wenn Sperrspannung sie in den Durchbruch treibt; eine Zener-Diode ist ein Silizium-Übergang, der genau dafür ausgelegt ist — immer wieder, ohne Schaden zu nehmen. Starke Dotierung auf beiden Seiten des Übergangs hält die Raumladungszone dünn, sodass schon eine moderate Sperrspannung ein starkes inneres Feld erzeugt. Unterhalb von etwa 5 V dominiert der quantenmechanische Tunneleffekt — der eigentliche Zener-Effekt —, oberhalb von etwa 6 V dagegen die Lawinenmultiplikation; dazwischen wirken beide Mechanismen gemeinsam. Das Datenblatt unterscheidet sie nicht, da das äußere Verhalten identisch ist.
Der Knick und der Regelbereich
Unterhalb der Nenn-Zenerspannung fließt nur ein winziger Sperrstrom. Erreicht der Strom den Knickstrom, biegt sich die Kennlinie scharf ab, und das Bauteil geht in die Regelung über: weitere Stromzunahmen heben die Klemmenspannung nur noch geringfügig an, bestimmt durch den differenziellen Widerstand, typischerweise wenige bis einige zehn Ohm. Genau diese Flachheit ist der Zweck — über eine große Stromänderung hinweg bewegt sich die Spannung an der Diode kaum, weshalb sie eine stabile Referenz oder Versorgungsschiene halten kann, selbst wenn sich der Strom durch sie ändert.
Das Datenblatt lesen
Hersteller geben die Zenerspannung bei einem festgelegten Prüfstrom an, zusammen mit dem an derselben Stelle gemessenen differenziellen Widerstand, dem Knickstrom, unterhalb dessen die Regelung nicht garantiert ist, und der maximalen Verlustleistung, die das Gehäuse trägt, bevor der Übergang überhitzt. Da die Verlustleistung Spannung mal Strom ist, muss ein Bauteil mit höherer Zenerspannung bei geringerem Strom betrieben werden, um denselben Leistungswert einzuhalten. Auch die Temperatur verschiebt die Spannung leicht — unterhalb etwa 5 V negativ, darüber positiv —, was bei Präzisionsreferenzen eine Rolle spielt.
Wo sie eingesetzt wird
Über einen Vorwiderstand aus einer höheren Versorgungsspannung gespeist, bildet eine Zener-Diode den einfachsten Spannungsregler: der Widerstand legt den Strom fest, die Diode hält den Ausgang nahe ihrer Nennspannung, unabhängig von moderaten Schwankungen der Versorgung oder Last. Dasselbe Klemmverhalten schützt empfindliche Eingänge vor Überspannung, liefert eine stabile Referenz für Komparatoren und Analog-Digital-Wandler und findet sich in aufwendigeren linearen und schaltenden Reglerschaltkreisen als interne Referenz wieder, um die herum die übrige Schaltung aufgebaut ist.