3. Ein vielseitiger Verwandter: die Zenerdiode

Größenordnung von einigen nA. Oberhalb einer bestim- ten, sehr exakt definierten und von der jeweiligen Diode abhängigen Spannung beginnt der Strom jedoch sehr schnell zu steigen und schon bei geringem weiteren Spannungsanstieg ganz erhebliche Werte aufzuweisen.

Abb. 32. Die Schaltung der Zenerdiode

Diesen Effekt nennt man (falschlicherweise) "Zenereffekt"; er beruht darauf, dalf unterhalb einer bestimmten Spannung von etwa 5 V das zunehmend größer werdende elektrische Feld zwischen den beiden Elektroden neue Ladungsträger im Material freimacht, die sich sehr schnell vergrößern und zu dem erwähnten Strom, dem sogenannten Zenerstrom, führen. Oberhalb der erwähnten Spannung ist eine lawinenartige Trägervervielfachung nach McKay, aehnlich wie bei den Gasentladungen, für diese Erscheinung verantwortlich. Die Zenerdiode trägt ihren Namen jedenfalls zu Un recht, die Norm spricht von "Begrenzerdiode", neuerdings auch von "Z-Diode". Wir behalten die Bezeichnung "Zenerdiode" bei, weil sie sich allgemein durchgesetzt hat.

Abb. 33. Aufbauzeichnung zu Abb. 32

Als Zenerdiode können wir in einem Versuch einfach die Emitter-Basisstrecke des Silizium-Transistors verwenden. Wir bauen die Versuchsschaltung (Abb. 32) auf, wie es in Abb. 33 gezeigt ist. Bevor wir Schalter S9 einschalten, drehen wir das Potentiometer an den linken Anschlag und lassen die Galvanometernadel auf Null einpendeln. Dann schalten wir S9 ein und drehen das Potentiometer im Uhrzeigersinn. Dadurch steigt die zwischen E und B, also die an der Emitterdiode des Silizium-Transistors liegende Spannung, langsam an. Da die Emitterdiode in Sperrichtung gepolt ist (weil es sich um einen npn-Transistor handelt, liegt das "Dreieck" der Gleichrichterstrecke ja an der Basis und zeigt zum Emitter), zeigt das Galvanometer zunaechst keinen Strom an. Kurz vor dem rechten Anschlag des Potentiometers, wenn die Spannung an der Emitterdiode ca. 6,3 V erreicht hat, schlaegt das Galvanometer aber ploetzlich aus, weil jetzt der Zenerstrom eingesetzt hat. Schon winzige weitere Erhöhungen der Spannung wuerden ihn schnell we iter steigen lassen. Damit der Transistor nicht überlastet werden kann, duerfen wir den Vorwiderstand R nicht überbrücken. Wir können also den Zenerstrom über 1,8 mA hinaus nicht weiter verfolgen, weil das der Vorwiderstand R unmöglich macht. Tragen wir die zusammengehörenden Werte von Strom und Spannung auf, so erhalten wir - siehe Abb. 34 - die Kennlinie der Zenerdiode. Diese Kennlinie kann nach Schaltung Abb. 32 mit dem Ultron-Instrument aufgenommen werden, wobei sich bei unserer Messung folgende Werte ergaben:

Sperrspannung Sperr- bzw. Zenerstrom unter 6,00 V unter 1 µA 6,30 V 1,5 µA 6,31 V 0,012 mA 6,32 V 0,048 mA 6,33 V 0,1 mA 6,35 V 0,2 mA 6,40 V 0,5 mA 6,73 V 1,8 mA Waehrend der Strommessungen muss das Voltmeter abgeklemmt werden, weil der durch das Voltmeter am Transistor vorbeifliessende Strom sonst die Messung des durch den Transistor fliessenden Stromes verfälschen wuerde. Wir müssen also mit dem Ultron abwechselnd Strom und Spannung meßen, wobei wir das an Stelle des Galvanometers als Milliamperemeter geschaltete Ultron durch ein Stück Draht ersetzen, während wir das Ultron selbst als Spannungsmesser benutzen und mit ihm (siehe Abb. 32) die Spannung zwischen Basis und Emitter des Silizium-Transistors meßen.

Abb. 34. Kennlinie einer Zenerdiode

Aus der Kennlinie (Abb. 34) können wir auch den "differentiellen" Innenwiderstand im Zenergebiet entnehmen. Das ist der Widerstand, der sich als Quotient aus Spannungs- und Stromänderungen ergibt und annaehernd dem Wechselstromwiderstand entspricht (ΔU / ΔI). Wie die Tabelle zeigt, betrug der Zenerstrom in dieser Messung bei 6,4 V etwa 0,5 mA und bei 6,73 V etwa 1,8 mA. Daraus errechnet sich der Innenwiderstand Ri = (6,73 - 6,4) / (1,8 - 0,5) = 0,254 kΩ oder 254 Ω. Wenn man bedenkt, daß die Diode unterhalb 6 V einen Widerstand von nahezu unendlich hat, ist die schnelle Umkehr zu relativ kleinen Innenwiderstandswerten sehr erstaunlich. In Wirklichkeit liegt der Innenwiderstand weit unter 100 Ω, naemlich dann, wenn man die Kennlinie noch weiter aufnimmt, also größere Ströme einstellt. Der Verlauf wird dann noch steiler. Diesen Versuch unterlassen wir aber, damit der Silizium-Transistor lange lebt.