Der Zener-Effekt ist der dominierende Durchbruchseffekt in Z-Dioden mit niedriger Durchbruchspannung. Lust mehr darüber zu lernen?
Zener-Effekt
Z-Dioden sind Dioden mit einer bekannten Durchbruchspannung, die auch als Z-Spannung bezeichnet wird. Es gibt zwei Effekte, die diesen Durchbruch verursachen: den Zener-Effekt und der Lawinendurchbruch. Der Zener-Effekt ist der dominierende Durchbruchseffekt bei Spannungen unter 5 V. Im Vergleich zum Lawinendurchbruch zeichnet er sich durch eine weniger steile I-U-Kennlinie aus. Heute wollen wir diesen Effekt einmal genauer betrachten.
Der Zener-Effekt ist nach Clarence M. Zener benannt, einem amerikanischen Physiker, der zu Durchschlageffekten in verschiedenen Materialien forschte. Im Jahr 1934 veröffentlichte er eine Theorie, in der er die Eigenschaften des Zenerdurchbruchs vorhersagte. Die erste Zenerdiode wurde 1950 von Bell Labs gebaut und nach ihm benannten. Aber was hat Zener vorhergesagt? Und wie funktioniert der Zener-Effekt in Halbleitern? Bist du bereit für einen kleinen Ausflug in die Tiefen der Halbleiterphysik?
Disclaimer: Ich bin kein Physiker und Halbleiter sind ein extrem kompliziertes Thema. Ich kann nicht für die Richtigkeit meiner Erklärungen garantieren. Zum leichteren Verständnis werden eventuell einige Details ausgelassen oder stark vereinfacht dargestellt. Wenn du der Meinung bist, dass Teile dieses Artikels korrigiert werden sollten, dann schreib mir eine E-Mail an feedback@devxplained.eu.
Wie funktioniert er?
Um zu verstehen, wie der Zener-Effekt in einer Zenerdiode funktioniert, müssen wir zunächst kurz wiederholen, was an einem p-n-Übergang passiert. Ich habe dies bereits ausführlich in einem eigenen Artikel über den p-n-Übergang beschrieben, aber um den Zener-Effekt zu verstehen, müssen wir uns den p-n-Übergang noch einmal ansehen, diesmal mithilfe des Bandmodells.
Wenn du meine früheren Artikel verfolgt hast, könnte dir das folgende Bild bekannt vorkommen. Es zeigt den Prozess der Anregung und Relaxation von Elektronen in Halbleitern im Bandmodell. Ich werde dieses Bild verwenden, um die wichtigsten Aspekte des Bandmodells kurz für dich zusammenzufassen.
Das Bandmodell basiert auf den quantenmechanischen Beobachtungen, dass sich die Elektronen nicht an festen Positionen in einem Atom befinden. Stattdessen muss ihre Position probabilistisch beschrieben werden. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Elektronen völlig willkürlich um den Kern herum gestreut sind. Um den Kern herum gibt es verschiedene Energiebänder, in denen sich die Elektronen wahrscheinlich befinden. Zwischen diesen Bändern gibt es Lücken: die sogenannten verbotenen Zonen oder Bandlücken. Diese Lücken beschreiben einen Bereich, in dem es sehr unwahrscheinlich ist, dass sich Elektronen dort befinden. Ein Elektron kann sich nicht einfach in ein anderes Band bewegen. Es braucht genügend Energie, um über die Bandlücke in das nächste Energieband zu springen. Dies geschieht zufällig, wenn Elektronen mit anderen zusammenstoßen, z. B. aufgrund interner thermischer Bewegung, aber auch aufgrund äußerer Einflüsse wie z. B. kollidierenden Photonen.
Die interessantesten Energiebänder im Kontext der Elektronik sind das Valenzband und das Leitungsband. Das Leitungsband ist das erste Band, in dem sich die Elektronen zwischen den Atomen frei bewegen können, wodurch ein Stromfluss möglich wird. Innerhalb des Valenzbandes sind die Elektronen gefangen und können sich nur bewegen, wenn einem anderen Atom neben ihnen ein Elektron fehlt. In diesem Fall können sie die leere Stelle auffüllen, wobei diese Stelle zu dem Atom wandert, aus dem das Elektron stammt. Die Stellen, an denen Elektronen fehlen, werden als Elektronenlöcher oder Defektelektronen bezeichnet und ermöglichen eine Leitung innerhalb des Valenzbandes.
Die y-Achse des Bandmodells beschreibt das Energieniveau. Für Elektronen ist es vorteilhaft, sich auf ein niedrigeres Energieniveau zu bewegen. Elektronenlöcher bewegen sich in Richtung eines höheren Energieniveaus.
Nachdem wir nun die wichtigsten Grundlagen kennen, wollen wir uns den p-n-Übergang ansehen:
Im Gleichgewicht
Wie wir wissen, bestehen Dioden aus dotiertem Halbleitermaterial. Im p-dotierten Bereich sorgen die Elektronenakzeptoren dafür, dass im Valenzband leicht Elektronenlöcher entstehen. Im n-dotierten Bereich stellen die Elektronendonatoren Elektronen bereit, die leicht in das Leitungsband angeregt werden können. Die Folge ist, dass es im n-dotierten Material viele freie Elektronen und im p-dotierten Material viele freie Löcher gibt, durch die elektrische Ladungen transportiert werden können. Dies sind die sogenannten Majoritätsladungsträger.
Die Elektronen diffundieren durch den Übergang in das p-dotierte Material, wo sie mit freien Löchern rekombinieren. Umgekehrt diffundieren die Löcher im Valenzband des p-dotierten Materials in den n-dotierten Bereich und rekombinieren dort ebenfalls mit den Elektronen. Dieser Vorgang führt jedoch auch zur Bildung einer elektrischen Ladung am Übergang: Die p-dotierte Seite wird negativ und die n-dotierte Seite positiv geladen. Im Bändermodell wird das elektrische Feld um den Übergang durch gekrümmte Energiebänder dargestellt. Die Kraft des elektrischen Feldes steht dem Diffusionsprozess entgegen. Es hindert die Majoritätsladungsträger daran, den Übergang zu durchqueren. Die Elektronen müssten sich nun bergauf bewegen, was energetisch ungünstig ist. Ohne äußeres elektrisches Feld befinden sich beide Kräfte bei einem inneren elektrischen Potenzial von etwa 0,7 V im Gleichgewicht. Es bildet sich ein Verarmungsbereich, in dem es nur sehr wenige freie Majoritätsladungsträger gibt.
In Durchlassrichtung
Wird an die Diode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, unterstützt das äußere elektrische Feld den Diffusionsprozess, der Verarmungsbereich an der Sperrschicht schrumpft. Sobald das interne Potenzial von 0,7 V, was der sogenannten Vorwärtsspannung entspricht, überwunden ist, kann der Strom ungehindert durch die Sperrschicht fließen.
Die von außen angelegte Spannung muss in unsere Darstellung der Bänder integriert werden. Die Regel dafür ist, die externe Potentialdifferenz zur internen zu addieren. Das elektrische Potenzial auf der n-dotierten Seite, an der der Minuspol angeschlossen ist, ist jetzt höher als das auf der p-dotierten Seite, an der der Pluspol angeschlossen ist, und die Elektronen können abwärts fließen.
In Sperrrichtung
Jetzt kommt der interessante Teil: Was passiert, wenn die Diode in Sperrrichtung betrieben wird? Auch hier addieren wir die Potenzialdifferenz der extern angelegten Spannung zur internen Spannung. Es ergibt sich die folgende Situation:
Zwischen den beiden Seiten des Übergangs befindet sich nun eine große Potenzialbarriere, durch die normalerweise kein Strom fließen kann. Das äußere elektrische Feld verstärkt den Driftprozess und damit die Größe des Verarmungsbereichs. Die Ausnahme davon ist ein kleiner Leckstrom, der durch Minoritätsladungsträger verursacht wird. Anhand des Bandmodells lässt sich leicht erkennen, was mit Leckstrom gemeint ist. Befindet sich ein freies Elektron im Leitungsband des p-dotierten Materials, wird es durch das angelegte elektrische Feld beschleunigt und bewegt sich durch den Übergang. Freie Elektronen im Leitungsband des p-dotierten Materials und entsprechend freie Löcher im Valenzband des n-dotierten Materials sind jedoch zu selten, als dass ein nennenswerter Strom fließen könnte.
So viel zum Funktionsprinzip der klassischen Dioden. Die Dinge ändern sich, wenn der Zener-Effekt ins Spiel kommt. Aufgrund ihrer hohen Dotierung haben Zenerdioden nur eine sehr dünne Verarmungszone. In dieser herrschen hohe elektrische Feldstärken. Die Energiebänder sind stark gekrümmt und es gibt nun Bereiche im Valenzband des p-dotierten Materials, die das gleiche Energieniveau haben wie das Leitungsband des n-dotierten Materials. Dies ermöglicht einen quantenmechanischen Effekt, den sogenannten Tunneleffekt. Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit können Elektronen durch eine Potenzialbarriere zu einem Ort mit dem gleichen Energieniveau auf der anderen Seite tunneln. Im Falle von Zenerdioden ist dies als Zener-Effekt bekannt: Elektronen tunneln vom Valenzband des p-dotierten Materials in das Leitungsband des n-dotierten Materials.
Zener selbst hat den Tunneleffekt nicht entdeckt, er wusste bereits davon. Ihm gelang es, zu beschreiben, mit welcher Geschwindigkeit die Elektronen durch den Übergang tunneln, und ein mathematisches Modell dafür zu erstellen. Damit zeigte er, dass dieser Effekt plötzlich einsetzt, sobald eine bestimmte Spannung überschritten wird. Er untersuchte auch, unter welchen Bedingungen er auftritt, nämlich bei hohen Feldstärken und einer schmalen Bandlücke, wie sie bei einer Zenerdiode vorliegen.
Zener hat seine Theorie nicht speziell für Dioden entwickelt, sondern für dielektrische Isolatoren. Was den Zener-Effekt anbelangt, so haben sie ähnliche Eigenschaften wie ein Halbleiterübergang, nur dass der Zener-Effekt für die meisten Isolatoren nur von theoretischer und nicht von praktischer Bedeutung ist. Für die meisten Materialien sowie für andere Arten von Halbleitern ist der Lawinendurchbruch - den wir als Nächstes behandeln werden - von viel größerer Bedeutung. Wenn du an weiteren Details interessiert bist, kannst du Zeners Veröffentlichung im Archiv der Royal Society finden.
