Der Durchbruch einer Zener-Diode erfolgt aufgrund eines Prozesses, der Zener-Durchbruch oder Lawinendurchbruch genannt wird. Dieses Phänomen tritt auf, wenn die an der Zener-Diode angelegte Sperrspannung deren Durchbruchspannung (auch Zener-Spannung genannt) überschreitet. Bei normalem Betrieb im Sperrvorspannungsbereich fließt aufgrund der Minoritätsladungsträger in der Diode ein kleiner Sperrstrom. Wenn jedoch die Sperrvorspannung ansteigt und die Zener-Spannungsschwelle erreicht, wird das elektrische Feld im Verarmungsbereich stark genug, um durch Stoßionisation die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren zu bewirken. Dieser plötzliche Anstieg der Ladungsträger führt zu einem erheblichen Anstieg des Stroms durch die Diode, sodass diese ohne Beschädigung stark in Sperrrichtung leiten kann. Dieser kontrollierte Durchbruch wird in Spannungsregelungs- und Schutzschaltungen genutzt.
Der Hauptgrund für den Durchbruchsbereich in einer Diode, einschließlich Zenerdioden, ist die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren durch Stoßionisation, wenn die Sperrvorspannung einen kritischen Wert überschreitet. Im normalen Vorwärtsvorspannungsmodus leiten Dioden Strom, indem sie es ermöglichen, dass sich Mehrheitsträger (Elektronen beim N-Typ und Löcher beim P-Typ) über den Übergang bewegen. Bei Sperrvorspannung entsteht jedoch aufgrund von Minoritätsträgern ein kleiner Leckstrom. Wenn die Sperrvorspannung über einen bestimmten Schwellenwert (Zenerspannung für Zenerdioden) ansteigt, wird das elektrische Feld am Übergang stark genug, um die Atome im Verarmungsbereich zu ionisieren. Diese Ionisierung erzeugt zusätzliche Ladungsträger, was zu einem plötzlichen Anstieg des Stromflusses durch die Diode führt, der als Durchbruchstrom bezeichnet wird. Das Verständnis dieses Durchbruchmechanismus ist für den Entwurf von Schaltkreisen, die Dioden sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung verwenden, von entscheidender Bedeutung.
Das Durchbruchspotential einer Zener-Diode bezieht sich auf ihre Zener-Spannung, die ein kritischer Parameter ist, der den Sperrdurchbruchsbereich der Diode definiert. Zener-Dioden sind speziell für den Betrieb in diesem Durchbruchbereich konzipiert, ohne bleibende Schäden zu erleiden. Das Durchbruchspotential oder die Zenerspannung wird normalerweise in Datenblättern angegeben und bestimmt die Spannung, bei der die Diode beginnt, stark in Sperrrichtung zu leiten. Diese Eigenschaft macht Zenerdioden wertvoll für die Spannungsregelung und den Schutz in elektronischen Schaltkreisen, bei denen die Aufrechterhaltung einer stabilen Spannung von entscheidender Bedeutung ist. Durch die Auswahl von Zenerdioden mit geeigneten Durchbruchpotentialen können Entwickler einen zuverlässigen Betrieb und Schutz vor Spannungsspitzen oder -schwankungen gewährleisten.
Während Zener-Dioden darauf ausgelegt sind, innerhalb ihres Durchbruchbereichs zu funktionieren und diesen standzuhalten, können sie unter extremen Bedingungen möglicherweise ausfallen. Ein übermäßiger Strom durch die Diode während eines Ausfalls, eine längere Einwirkung hoher Temperaturen oder das Überschreiten der maximalen Nennspannung können zu dauerhaften Schäden oder einem Ausfall der Zenerdiode führen. Es ist wichtig, die Herstellerangaben bezüglich maximalem Strom, Verlustleistung und Temperaturwerten einzuhalten, um einen Ausfall der Zenerdiode zu verhindern. Darüber hinaus kann die Integration geeigneter Kühl- und Strombegrenzungswiderstände in Schaltungsdesigns die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Zener-Dioden in Anwendungen verbessern, die Spannungsregelung und Unterdrückung von Spannungsspitzen erfordern.
Das Durchbruchphänomen einer Diode, einschließlich des Zenerdurchbruchs, tritt auf, wenn die an der Diode angelegte Sperrvorspannung einen kritischen Wert überschreitet, der als Durchbruchspannung bezeichnet wird. Bei Zener-Dioden kommt es aufgrund der Stoßionisation im Verarmungsbereich des Diodenübergangs zum Durchbruch. Unter Sperrvorspannungsbedingungen fließt aufgrund von Minoritätsträgern ein kleiner Leckstrom. Wenn die Sperrvorspannung die Zener-Spannungsschwelle erreicht, wird das elektrische Feld im Verarmungsbereich stark genug, um Atome zu ionisieren und Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Dieser Ionisierungsprozess führt zu einem schnellen Anstieg des Stroms durch die Diode, wodurch diese stark in Sperrrichtung leiten kann und gleichzeitig die Spannungsregulierung aufrechterhält. Das Durchbruchphänomen ist für den Betrieb von Zenerdioden in Spannungsregelkreisen, Überspannungsschutzgeräten und anderen Anwendungen, die eine präzise Kontrolle der Spannungspegel und die Unterdrückung von Spannungsspitzen erfordern, von grundlegender Bedeutung.
