Πώς λειτουργεί μια δίοδος zener
Η δίοδος Zener ή η δίοδος zener (ημιαγωγική δίοδος zener) είναι μια ειδική δίοδος που λειτουργεί σε σταθερή λειτουργία διάσπασης υπό συνθήκες αντίστροφης πόλωσης της διασταύρωσης pn. Μέχρι να συμβεί αυτή η διάσπαση, μόνο ένα πολύ μικρό ρεύμα ρέει μέσα από τη δίοδο zener, το ρεύμα διαρροής, λόγω της υψηλής αντίστασης της κλειστής διόδου zener.
Αλλά όταν συμβαίνει ένα σφάλμα, το ρεύμα αυξάνεται αμέσως επειδή η διαφορική αντίσταση του zener είναι σε αυτό το σημείο από κλάσματα σε εκατοντάδες ohms. Με αυτόν τον τρόπο, η τάση κατά μήκος της διόδου zener διατηρείται με μεγάλη ακρίβεια σε ένα σχετικά μεγάλο εύρος αντίστροφων ρευμάτων.
Η δίοδος Zener ονομάζεται δίοδος Zener (από το αγγλικό Zener diode) προς τιμήν του επιστήμονα που ανακάλυψε πρώτος το φαινόμενο της διάσπασης της σήραγγας, του Αμερικανού φυσικού Clarence Melvin Zener (1905 — 1993).
Η ηλεκτρική διάσπαση της διασταύρωσης pn, που ανακαλύφθηκε από τον Zener, που σχετίζεται με το φαινόμενο της σήραγγας, το φαινόμενο της διαρροής ηλεκτρονίων μέσω ενός λεπτού φράγματος δυναμικού, ονομάζεται πλέον φαινόμενο zener, το οποίο σήμερα χρησιμεύει σε διόδους ημιαγωγών Zener.
Η φυσική εικόνα του εφέ είναι η εξής.Στην αντίστροφη πόλωση της σύνδεσης p-n, οι ζώνες ενέργειας επικαλύπτονται και τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν από τη ζώνη σθένους της περιοχής p στη ζώνη αγωγιμότητας της περιοχής n, λόγω ηλεκτρικό πεδίο, αυτό αυξάνει τον αριθμό των δωρεάν φορέων φόρτισης και το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται απότομα.
Έτσι, ο κύριος σκοπός της διόδου zener είναι να σταθεροποιήσει την τάση. Η βιομηχανία παράγει διόδους zener ημιαγωγών με τάσεις σταθεροποίησης από 1,8 V έως 400 V, υψηλής, μέσης και χαμηλής ισχύος, οι οποίες διαφέρουν στο μέγιστο επιτρεπόμενο αντίστροφο ρεύμα.
Σε αυτή τη βάση κατασκευάζονται απλοί σταθεροποιητές τάσης. Στα διαγράμματα, οι δίοδοι zener υποδεικνύονται με ένα σύμβολο παρόμοιο με το σύμβολο της διόδου, με τη μόνη διαφορά ότι η κάθοδος των διόδων zener απεικονίζεται με τη μορφή του γράμματος «G».
Οι δίοδοι Zener με λανθάνουσα ενσωματωμένη δομή, με τάση σταθεροποίησης περίπου 7 V, είναι οι πιο ακριβείς και σταθερές πηγές αναφοράς τάσης στερεάς κατάστασης: τα καλύτερα παραδείγματα τους είναι χαρακτηριστικά κοντά στο κανονικό γαλβανικό στοιχείο Weston (γαλβανικό στοιχείο αναφοράς καδμίου υδραργύρου).
Οι δίοδοι χιονοστιβάδας υψηλής τάσης ("TVS-δίοδοι" και "καταστολείς"), που χρησιμοποιούνται ευρέως σε κυκλώματα προστασίας από υπερτάσεις όλων των ειδών εξοπλισμού, ανήκουν σε έναν ειδικό τύπο διόδων zener.
Όπως μπορείτε να δείτε, η δίοδος zener, σε αντίθεση με τη συμβατική δίοδο, λειτουργεί στον αντίστροφο κλάδο του χαρακτηριστικού I — V. Σε μια συνηθισμένη δίοδο, εάν εφαρμοστεί αντίστροφη τάση σε αυτήν, η αστοχία μπορεί να συμβεί με έναν από τους τρεις τρόπους (ή όλους ταυτόχρονα): βλάβη σήραγγας, βλάβη χιονοστιβάδας και βλάβη λόγω θερμικής θέρμανσης από ρεύματα διαρροής.
Η θερμική διάσπαση των διόδων zener πυριτίου δεν είναι σημαντική επειδή έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε είτε η διάσπαση της σήραγγας, η κατάρρευση χιονοστιβάδας ή και οι δύο τύποι βλάβης να συμβαίνουν ταυτόχρονα πολύ πριν από την τάση θερμικής διάσπασης. Οι δίοδοι zener της σειράς κατασκευάζονται επί του παρόντος κυρίως από πυρίτιο.
Μια βλάβη σε τάση κάτω των 5 V είναι μια εκδήλωση του φαινομένου Zener, μια βλάβη πάνω από 5 V είναι μια εκδήλωση βλάβης χιονοστιβάδας. Μια ενδιάμεση τάση διάσπασης περίπου 5 V συνήθως προκύπτει από έναν συνδυασμό αυτών των δύο επιδράσεων. Η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου τη στιγμή της διάσπασης της διόδου zener είναι περίπου 30 MV / m.
Η διάσπαση της διόδου Zener συμβαίνει σε ημιαγωγούς τύπου p με μέτρια πρόσμειξη και σε ημιαγωγούς τύπου n με μεγάλη πρόσμειξη.
Οι δίοδοι Zener έχουν τα ακόλουθα τυπικά χαρακτηριστικά. Vz — τάση σταθεροποίησης. Η τεκμηρίωση καθορίζει δύο τιμές για αυτήν την παράμετρο: τη μέγιστη και την ελάχιστη τάση σταθεροποίησης. Το Iz είναι το ελάχιστο ρεύμα σταθεροποίησης. Zz είναι η αντίσταση της διόδου zener. Izk και Zzk — ρεύμα και δυναμική αντίσταση σε συνεχές ρεύμα. Το Ir και το Vr είναι το μέγιστο ρεύμα και τάση διαρροής σε μια δεδομένη θερμοκρασία. Tc είναι ο συντελεστής θερμοκρασίας. Izrm — μέγιστο ρεύμα σταθεροποίησης της διόδου zener.
Οι δίοδοι Zener χρησιμοποιούνται ευρέως ως ανεξάρτητα στοιχεία σταθεροποίησης, καθώς και ως πηγές τάσεων αναφοράς (τάσεις αναφοράς) σε σταθεροποιητές τρανζίστορ.
Για να ληφθούν μικρές τάσεις αναφοράς, οι δίοδοι zener ενεργοποιούνται επίσης προς την εμπρός κατεύθυνση, όπως οι συνηθισμένες δίοδοι, τότε η τάση σταθεροποίησης μιας διόδου zener θα είναι 0,7 - 0,8 βολτ.
Η μέγιστη ισχύς που καταναλώνεται από το σώμα μιας διόδου zener είναι τυπικά στην περιοχή από 0,125 έως 1 watt. Αυτό, κατά κανόνα, επαρκεί για την κανονική λειτουργία των προστατευτικών κυκλωμάτων έναντι του παλμικού θορύβου και για την κατασκευή σταθεροποιητών χαμηλής ισχύος.