Was ist eine Z-Diode?
Eine Z-Diode ist eine Diode, die einen n-Typ-Halbleiter und einen p-Typ-Halbleiter verbindet und eine relativ geringe Sperrspannung und einen stabilen Spannungswert aufweist. Sie werden auch Konstantspannungsdioden genannt.
Normale Dioden haben einen Gleichrichtereffekt, bei dem sich der Grad der Durchlässigkeit je nach Polarität der an beiden Enden angelegten Vorspannung ändert, so dass selbst bei einer sehr hohen Sperrspannung kein Strom fließt. Spezielle Dioden, so genannte Z-Dioden, weisen jedoch Diodencharakteristiken auf, die bei einer relativ kleinen Sperrspannung oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts schnell einen hohen Stromfluss ermöglichen.
Durch die Nutzung der einzigartigen Gleichrichtereigenschaften von Z-Dioden kann eine konstante Spannung in der Schaltung aufrechterhalten werden.
Anwendungen von Z-Dioden
Z-Dioden zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei Anlegen einer Sperrspannung über einem bestimmten Wert einen schnellen Stromfluss ermöglichen und jeden weiteren Spannungsanstieg unterdrücken. Sie werden daher eingesetzt, um die Spannung instabiler Stromversorgungen konstant zu halten und Schaltkreise vor Stoßströmen zu schützen.
Eine Z-Diode wird z. B. parallel zu einer instabilen Stromversorgung geschaltet, so dass sie in Sperrichtung vorgespannt ist. Wenn die Spannung der Stromversorgung höher ist als der Durchbruchwert der Z-Diode, fließt ein großer Strom durch die Z-Diode, wodurch die Spannung reduziert und die Spannung im Stromkreis konstant gehalten wird.
Funktionsweise von Z-Dioden
Der Ursprung der einzigartigen Eigenschaften von Z-Dioden wird auf zwei Faktoren zurückgeführt: den Zener-Effekt und den Avalanche-Effekt. Ersterer ist ein Phänomen, bei dem die Verarmungsschicht, die beim Anlegen einer Sperrspannung entsteht, durch die absichtliche Schaffung eines pn-Übergangs unter Verwendung eines Halbleiters mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen (was nur bei Z-Dioden der Fall ist) dünner gemacht wird und bei einem bestimmten Schwellenwert springen die Elektronen aufgrund des Tunneleffekts über die Verarmungsschicht, was zu einer elektrischen Leitung führt.
Bei letzterem handelt es sich um ein Phänomen, bei dem Elektronen, die stärker als bei einer hohen Vorspannung beschleunigt werden, mit Halbleiteratomen kollidieren und viele Ladungsträger herausschlagen, die wiederum mit Halbleiteratomen kollidieren und noch mehr Ladungsträger herausschlagen, was wiederholt eine Elektronenlawine und einen großen Stromfluss verursacht.
Wenn die Vorspannung den Schwellenwert überschreitet, tritt der Avalanche-Effekt auf, bei dem Elektronen, die aufgrund des Zener-Effekts über die Verarmungsschicht springen, eine hohe Sperrvorspannung und einen großen Strom verursachen, was wiederum einen Spannungsabfall bewirkt, der die Spannung auf den Schwellenwert absenkt.
Die Spannung über dem Stromkreis wird dann konstant gehalten, wodurch instabile Stromversorgungen stabilisiert werden und der Stromkreis vor externen Überspannungen geschützt wird. Die Durchbruchsspannung dieser Z-Dioden in Sperrrichtung lässt sich heute je nach dem Verhältnis der Störstellenkonzentration und der Behandlung des Halbleiterprozesses sehr gut steuern.
Auf dem Markt ist eine breite Palette von Typen und Toleranzen erhältlich, mit einer Auswahl im Bereich von 1 V bis zu mehreren hundert V und engen Toleranzen von ±0,05 % für einige Spannungswerte.
Weitere Informationen zu Z-Dioden
1. Reihen- und Parallelschaltung von Z-Dioden
Reihenschaltung
Bei der Reihenschaltung von Z-Dioden ist auf den Wert des fließenden Z-Diodenstroms lz zu achten. Der maximal zulässige Gesamtstromwert entspricht dem kleineren zulässigen Strom der angeschlossenen Z-Dioden. Er sollte daher im Rahmen des kleineren zulässigen Verlustes verwendet werden.
Beachten Sie, dass, wenn der Zenerstrom für die Spezifikation der Zenerspannung für jede Diode unterschiedlich ist, der Spannungswert von der gesuchten Zenerspannung abweichen wird. Der Grund dafür ist, dass eine der Z-Dioden nicht den angegebenen Wert für den Zenerstrom hat.
Parallelschaltung
Z-Dioden können nicht parallel geschaltet werden, da dies die zulässigen Verluste der Z-Dioden erhöht. Beachten Sie, dass sich bei einer Parallelschaltung der Zenerstrom auf die Diode mit der niedrigeren Zenerspannung konzentrieren und die zulässigen Verluste überschreiten kann.
2. Eigenschaften der Z-Dioden
Temperaturkennlinien
Die Temperaturkennlinie bedeutet, dass sich die Kenndaten mit der Temperatur ändern. Bei Z-Dioden ändert sich diese Temperaturkennlinie in Abhängigkeit von der Zenerspannung. Der Grund dafür sind der Tunneleffekt und der Avalanche-Effekt.
Der Temperaturkoeffizient des Tunneleffekts ist negativ, während der des Avalanche-Effekts positiv ist. Infolgedessen nimmt die Zenerspannung einer niedrigen Zenerspannung mit steigender Umgebungstemperatur ab. Andererseits ist die Zener-Spannung bei hohen Zener-Spannungen durch einen Anstieg der Zener-Spannung bei steigender Umgebungstemperatur gekennzeichnet.
Eine niedrige Zenerspannung bezieht sich hier im Allgemeinen auf eine Spannung von weniger als 5 V, während eine hohe Zenerspannung im Allgemeinen eine Spannung von mehr als 5 V bezeichnet. Wenn die Z-Diode bei etwa 5 V liegt, wirken die Tunnel- und Lawineneffekte zusammen und verursachen das Zener-Phänomen. Zu diesem Zeitpunkt ist auch die Temperaturkennlinie in etwa gleich, und die Zener-Spannung wird weniger von der Umgebungstemperatur beeinflusst.
Rauschen
Bei einer Z-Diode ist das Rauschen umso höher, je höher die Zenerspannung ist und je höher der Strom ist, desto geringer ist das Rauschen. Um Rauschen zu vermeiden, sollten mehrere Elemente mit niedriger Zenerspannung in Reihe geschaltet werden. Das Rauschen kann auch durch Parallelschalten eines Kondensators zur Z-Diode beseitigt werden.
3. Anwendungsspezifische Methoden zur Auswahl von Dioden
Obwohl die Eigenschaften und Anwendungen von Z-Dioden beschrieben wurden, gibt es verschiedene andere Halbleiterdiodenbauelemente. Dieser Abschnitt enthält zusätzliche Informationen über die Unterschiede zu anderen Dioden und deren Eigenschaften.
Ein Bauelement, das die umgekehrten Eigenschaften nutzt, ist die TVS-Diode (Transient Voltage Suppressors). Wie Z-Dioden werden auch sie als Überspannungsschutz eingesetzt, doch im Gegensatz zu Z-Dioden sind TVS normalerweise ausgeschaltet und schalten sich erst ein, wenn eine Überspannung angelegt wird.
Schottky-Barriere-Dioden, die eine Metall-Halbleiter-Schottky-Barriere verwenden, haben noch niedrigere Spannungswerte und werden häufig für Gleichrichtungsanwendungen mit hohen Schaltgeschwindigkeiten eingesetzt; es gibt auch Schaltdioden für schnelle Schaltanwendungen, die aus pn-Halbleiterelementen bestehen. Auch PIN-Dioden mit reduzierter Anschlusskapazität für HF-Anwendungen (Hochfrequenz) werden verwendet.