Benannt wurden diese Dioden nach dem amerikanischen Physiker Clarence Melvin Zener, dem Entdecker des Zener-Effekts (Elektronen tunneln durch die Sperrschicht). Das änderte sich in den 1970er Jahren. Seit dieser Zeit wird auch der Name Z-Diode benutzt, da der Zener-Effekt nur für geringe Durchbruchspannungen verantwortlich ist.
Die Zener Diode besteht aus zwei dotierten Halbleiterschichten. Dabei gibt es eine stark p-dotierte und stark n-dotierte Schicht, die gemeinsam den p-n-Übergang bilden. Die p-dotierte Schicht stellt die Anode (A) dar, während die n-dotierte Schicht die Kathode (K) ersetzt. Die Sperrrichtung symbolisiert die Situation, wenn die Spannung der Anode negativer ist als die Spannung der Kathode. Wird die Durchbruchspannung erreicht, wird die Zener Diode leitend.
Wird die Durchbruchspannung der Halbleiter-Dioden erreicht, wird auch der Stromfluss in Sperrrichtung zugelassen. Wird dieser Stromfluss nicht begrenzt, wird das Bauteil durch Überhitzung zerstört. Zener Dioden sind so aufgebaut, dass die Durchbruchspannung einen bestimmten Wert besitzt. Innerhalb dieses Bereichs können Z-Dioden normal betrieben werden.
Dabei variiert die Höhe der Durchbruchspannung der einzelnen Zener Dioden enorm. So gibt es Teile, deren Durchbruchspannung nur wenige Volt beträgt, während andere mehrere hundert Volt haben können.
Über einen großen Bereich der Stromstärken entspricht der Spannungsabfall der Z-Diode genau der Durchbruchspannung. Dadurch werden diese Dioden als Referenz-Spannungsquellen und zur Spannungsstabilisierung verwendet. Aber auch die Begrenzung von Spannungsspitzen ist mit einer Zener Diode möglich.
Gerade in der Mess- und Regeltechnik kann die Temperaturabhängigkeit einer Z-Diode ein Nachteil sein. Vor allem bei Anwendungen, die eine exakte Spannung erfordern, wirkt sich das negativ auf das Ergebnis aus. Aus diesem Grund schaltet man Z-Dioden gerne mit negativem und positivem Temperaturkoeffizienten TK in Reihe. Im Idealfall heben sie sich auf bzw. bleibt nur ein kleiner Rest bestehen. TK gibt dabei die Temperaturabhängigkeit an. Gelegentlich werden auch normale Silizium-Dioden zur Temperaturstabilisierung verwendet. Jedoch gibt es spezielle temperaturkompensierte Zener Dioden, bei denen der Hersteller bereits diese Zusammenschaltung berücksichtigt hat.
Die Firma TME beispielsweise bietet eine Auswahl von knapp 2.000 unterschiedlichen Z-Dioden mit einer Durchbruchspannung, die bereits bei 1 V beginnt. Während der Großteil eine Toleranz von ±5 % aufweist, gibt es auch Modelle mit einer Toleranz von ±2 %, Transfer Multisort Elektronik ist bereits seit über 30 Jahren Händler für elektronische Bauteile. Das Familienunternehmen wurde 1990 gegründet und konnte sich über die letzten Jahrzehnte zu einem der größten Händler für elektronische Teile entwickeln. Mittlerweile beschäftigt das Unternehmen über 560 Arbeitnehmer, die tagtäglich knapp 3.700 Bestellungen abwickeln.
Wenn die Durchbruchspannung unterhalb von 5 V liegt, spricht man vom Zener-Effekt. Durch die starke Dotierung der Halbleiterschichten ist die Raumladungszone gering und das elektrische Feld in dieser Zone sehr stark. Wird die Spannung der Kathode gegenüber der Anode positiver, weitet sich die Raumladungszone aus. Das elektrische Feld ist dabei so stark, dass Elektronen der p-dotierten Schicht in das Leitungsband der n-dotierten Schicht tunneln können. Dadurch entstehen freie Ladungsträger, die zum Stromfloss in Sperrrichtung beitragen.
Liegt die Durchbruchspannung über 5 V, dominiert der Lawinen-Effekt. Beim Erreichen der Durchbruchspannung werden freie Ladungsträger durch ein elektrisches Feld stark beschleunigt, wodurch andere Ladungsträger herausgeschlagen werden können. Somit werden gebundene Ladungsträger zu freien Ladungsträgern umgewandelt. Dadurch steigt die Stromstärke. Die „neuen“ freien Ladungsträger können durch die Beschleunigung ebenfalls weitere gebundene Ladungsträger herausschlagen, wodurch die Stromstärke innerhalb kürzester Zeit massiv steigen kann.
