Jak działa dioda Zenera

Dioda Zenera lub dioda Zenera (półprzewodnikowa dioda Zenera) to specjalna dioda, która działa w stabilnym trybie przebicia w warunkach polaryzacji wstecznej złącza pn. Dopóki nie nastąpi to przebicie, przez diodę Zenera przepływa tylko bardzo mały prąd, prąd upływu, ze względu na wysoką rezystancję zamkniętej diody Zenera.

Ale kiedy pojawia się usterka, prąd natychmiast wzrasta, ponieważ rezystancja różnicowa Zenera wynosi w tym momencie od ułamków do setek omów. W ten sposób napięcie na diodzie Zenera jest utrzymywane bardzo precyzyjnie w stosunkowo szerokim zakresie prądów wstecznych.

Dioda Zenera nazywana jest diodą Zenera (od angielskiej diody Zenera) na cześć naukowca, który jako pierwszy odkrył zjawisko rozpadu tunelu, amerykańskiego fizyka Clarence'a Melvina Zenera (1905 — 1993).

Odkryte przez Zenera przebicie elektryczne złącza pn, związane z efektem tunelowania, czyli zjawiskiem wycieku elektronów przez cienką barierę potencjału, nazywane jest obecnie efektem Zenera, który służy dziś w półprzewodnikowych diodach Zenera.

Fizyczny obraz efektu jest następujący.W odwrotnej polaryzacji złącza pn pasma energii nakładają się i elektrony mogą przemieszczać się z pasma walencyjnego regionu p do pasma przewodnictwa regionu n, z powodu pole elektryczne, zwiększa to liczbę wolnych nośników ładunku, a prąd wsteczny gwałtownie wzrasta.

Zatem głównym celem diody Zenera jest stabilizacja napięcia. Przemysł produkuje półprzewodnikowe diody Zenera o napięciach stabilizujących od 1,8 V do 400 V, dużej, średniej i małej mocy, które różnią się maksymalnym dopuszczalnym prądem wstecznym.

Na tej podstawie powstają proste stabilizatory napięcia. Na schematach diody Zenera są oznaczone symbolem podobnym do symbolu diody, z tą różnicą, że katoda diod Zenera jest przedstawiona w formie litery „G”.

Diody Zenera o utajonej strukturze zintegrowanej, o napięciu stabilizującym około 7 V, są najdokładniejszymi i najbardziej stabilnymi źródłami odniesienia napięcia półprzewodnikowego: ich najlepsze przykłady są charakterystycznie zbliżone do normalnego ogniwa galwanicznego Westona (rtęciowo-kadmowe referencyjne ogniwo galwaniczne).

Diody lawinowe wysokiego napięcia („diody TVS” i „tłumiki”), które są szeroko stosowane w obwodach przeciwprzepięciowych wszelkiego rodzaju urządzeń, należą do specjalnego rodzaju diod Zenera.

Jak widać, dioda Zenera, w przeciwieństwie do konwencjonalnej diody, działa na odwrotnej gałęzi charakterystyki I — V. W zwykłej diodzie, jeśli zostanie do niej przyłożone napięcie wsteczne, awaria może wystąpić na jeden z trzech sposobów (lub wszystkie na raz): awaria tunelu, awaria lawinowa i awaria w wyniku nagrzania termicznego spowodowanego prądami upływowymi.

Przebicie termiczne krzemowych diod Zenera nie jest ważne, ponieważ są one zaprojektowane w taki sposób, że przebicie tunelowe, przebicie lawinowe lub oba rodzaje przebicia występują jednocześnie na długo przed trendem przebicia termicznego. Diody Zenera serii są obecnie wykonane głównie z krzemu.

Przebicie przy napięciu poniżej 5 V jest przejawem efektu Zenera, przebicie powyżej 5 V jest przejawem przebicia lawinowego. Pośrednie napięcie przebicia około 5 V wynika zwykle z połączenia tych dwóch efektów. Siła pola elektrycznego w momencie przebicia diody Zenera wynosi około 30 MV / m.

Awaria diody Zenera występuje w średnio domieszkowanych półprzewodnikach typu p i silnie domieszkowanych półprzewodnikach typu n. Wraz ze wzrostem temperatury złącza zmniejsza się stripping diody Zenera i wzrasta udział przebicia lawinowego.

Diody Zenera mają następujące typowe cechy. Vz — napięcie stabilizacji. Dokumentacja określa dwie wartości dla tego parametru: maksymalne i minimalne napięcie stabilizacji. Iz to minimalny prąd stabilizacji. Zz to rezystancja diody Zenera. Izk i Zzk — rezystancja prądowa i dynamiczna przy prądzie stałym. Ir i Vr to maksymalny prąd upływu i napięcie w danej temperaturze. Tc to współczynnik temperaturowy. Izrm — maksymalny prąd stabilizacji diody Zenera.

Diody Zenera są szeroko stosowane jako niezależne elementy stabilizujące, a także jako źródła napięć odniesienia (napięć odniesienia) w stabilizatorach tranzystorowych.

Aby uzyskać małe napięcia odniesienia, diody Zenera są również włączane w kierunku do przodu, podobnie jak zwykłe diody, wówczas napięcie stabilizujące jednej diody Zenera wyniesie 0,7 — 0,8 wolta.

Maksymalna moc rozpraszana przez korpus diody Zenera mieści się zwykle w zakresie od 0,125 do 1 wata. To z reguły wystarcza do normalnej pracy obwodów ochronnych przed szumem impulsowym i do budowy stabilizatorów małej mocy.