Aktuelles Modell·Halbleiterübergänge

Zener-Diode

Sehen Sie, wie eine Zener-Diode absichtlich für den Sperrdurchbruch gebaut ist — jenseits des Knicks bleibt die Spannung fast konstant, selbst wenn der Strom stark schwankt.
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Klemmenspannung0 V
Zenerstrom0 mA
Sperrschichttemperatur25 °C
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Übergangs-Vorspannungsexperiment

Zener-I–V-Kennlinie

Untersuchen Sie die Durchlasskurve und den Regelknick getrennt voneinander.

Aktueller ArbeitspunktWenden Sie Strom an, um die Kurven zu erzeugen
DurchlasskennlinieExponentieller Stromanstieg in Durchlassrichtung
00 µA0,3178,57 mA0,5357,14 mA0,8535,71 mA1714,29 mAWenden Sie Strom an, um die Kurven zu erzeugen
SperrkennlinieLeckstrom unterhalb des Knicks, danach flache Regelung an der Zenerspannung
-6,6-137,25 mA-5-102,94 mA-3,3-68,63 mA-1,7-34,31 mA00 µAWenden Sie Strom an, um die Kurven zu erzeugen

Was ist eine Zener-Diode?

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.

Häufig gestellte Fragen

Wie stabilisiert eine Zener-Diode eine Spannung?
Eine Zener-Diode wird im Sperrdurchbruch betrieben, wo ihre Spannung über einen weiten Strombereich nahe der Zenerspannung bleibt. Mit einem Vorwiderstand an einer höheren Versorgung nimmt der Widerstand die überschüssige Spannung auf, und die Zener-Diode hält den Ausgang nahe Uz; ihr kleiner differentieller Widerstand bestimmt, wie stark der Ausgang noch mit dem Strom schwankt.
Wie wählt man den Vorwiderstand für eine Zener-Dioden-Stabilisierung?
Er muss so bemessen sein, dass bei kleinster Eingangsspannung und größtem Laststrom noch genug Strom die Zener-Diode erreicht: R = (Ue,min − Uz) / (IL,max + Iz,min). Danach prüft man den ungünstigsten Fall, höchste Eingangsspannung ohne Last, bei dem die Zener-Diode den gesamten Strom übernimmt; ihre Verlustleistung Uz × Iz muss unter der Nennleistung bleiben.
Was ist der Unterschied zwischen einer Zener-Diode und einer normalen Diode?
Beide leiten in Durchlassrichtung. Eine normale Diode ist zum Sperren der Rückwärtsspannung gebaut und kann beim Durchbruch ausfallen, während eine Zener-Diode so dotiert ist, dass sie bei einer bestimmten niedrigen Spannung, etwa 2 bis 200 V, durchbricht und dort dauerhaft arbeitet. Sie dient in Sperrrichtung als Spannungsreferenz, Stabilisator oder Begrenzer.
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