Com funciona un díode zener
El díode Zener o díode Zener (díode zener semiconductor) és un díode especial que funciona en un mode de ruptura estable en condicions de polarització inversa de la unió pn. Fins que es produeix aquesta avaria, només un corrent molt petit flueix pel díode zener, el corrent de fuga, a causa de l'alta resistència del díode zener tancat.
Però quan es produeix una fallada, el corrent augmenta a l'instant perquè la resistència diferencial del zener és en aquest punt de fraccions a centenars d'ohms. D'aquesta manera, la tensió a través del díode zener es manté amb molta precisió en un rang relativament ampli de corrents inverses.
El díode Zener s'anomena díode Zener (de l'anglès Zener díode) en honor al científic que va descobrir per primera vegada el fenomen de la ruptura del túnel, el físic nord-americà Clarence Melvin Zener (1905 — 1993).
La ruptura elèctrica de la unió pn, descoberta per Zener, relacionada amb l'efecte túnel, el fenomen de la fuga d'electrons a través d'una fina barrera de potencial, s'anomena ara efecte zener, que avui serveix en díodes Zener semiconductors.
La imatge física de l'efecte és la següent.En el biaix invers de la unió p-n, les bandes d'energia es superposen i els electrons poden moure's de la banda de valència de la regió p a la banda de conducció de la regió n, a causa de camp elèctric, això augmenta el nombre de portadors de càrrega gratuïta i el corrent invers augmenta bruscament.
Per tant, l'objectiu principal del díode zener és estabilitzar la tensió. La indústria produeix díodes zener semiconductors amb tensions d'estabilització d'1,8 V a 400 V, de potència alta, mitjana i baixa, que es diferencien en el corrent invers màxim admissible.
Sobre aquesta base es fabriquen estabilitzadors de tensió simples. Als diagrames, els díodes zener s'indiquen amb un símbol similar al símbol del díode, amb l'única diferència que el càtode dels díodes zener es representa en forma de lletra «G».
Els díodes Zener amb una estructura integrada latent, amb una tensió d'estabilització d'uns 7 V, són les fonts de referència de tensió d'estat sòlid més precises i estables: els seus millors exemples són característicament propers a la cèl·lula galvànica de Weston normal (cel·la galvànica de referència de mercuri-cadmi).
Els díodes d'allau d'alta tensió ("díodes TVS" i "suppressors"), que s'utilitzen àmpliament en circuits de protecció contra sobretensions de tot tipus d'equips, pertanyen a un tipus especial de díodes zener.
Com podeu veure, el díode zener, a diferència del díode convencional, funciona a la branca inversa de la característica I — V. En un díode normal, si se li aplica una tensió inversa, es pot produir una fallada d'una de les tres maneres (o totes alhora): ruptura del túnel, ruptura d'allau i ruptura a causa de l'escalfament tèrmic dels corrents de fuga.
La ruptura tèrmica dels díodes zener de silici no és important perquè estan dissenyades de manera que l'avaria del túnel, l'allau o els dos tipus d'avaria es produeixin simultàniament molt abans de la tendència de ruptura tèrmica. Actualment, els díodes zener de la sèrie estan fets majoritàriament de silici.
Una avaria a una tensió inferior a 5 V és una manifestació de l'efecte Zener, una avaria per sobre de 5 V és una manifestació d'una avaria d'allau. Una tensió de ruptura intermèdia d'uns 5 V normalment resulta d'una combinació d'aquests dos efectes. La força del camp elèctric en el moment de la ruptura del díode zener és d'uns 30 MV / m.
La ruptura del díode Zener es produeix en semiconductors de tipus p dopats moderadament i en semiconductors de tipus n fortament dopats. A mesura que augmenta la temperatura de la unió, la separació del díode Zener disminueix i la contribució a la ruptura d'allaus augmenta.
Els díodes Zener tenen les següents característiques típiques. Vz: tensió d'estabilització. La documentació especifica dos valors per a aquest paràmetre: la tensió d'estabilització màxima i mínima. Iz és el corrent d'estabilització mínima. Zz és la resistència del díode zener. Izk i Zzk: resistència actual i dinàmica en corrent continu. Ir i Vr són el corrent i la tensió de fuga màxims a una temperatura determinada. Tc és el coeficient de temperatura. Izrm: corrent d'estabilització màxima del díode zener.
Els díodes Zener s'utilitzen àmpliament com a elements estabilitzadors independents, així com com a fonts de voltatges de referència (tensions de referència) en estabilitzadors de transistors.
Per obtenir tensions de referència petites, els díodes zener també s'encenen en direcció cap endavant, com els díodes ordinaris, aleshores la tensió d'estabilització d'un díode zener serà de 0,7 a 0,8 volts.
La potència màxima dissipada pel cos d'un díode zener sol estar en el rang de 0,125 a 1 watt. Això, per regla general, és suficient per al funcionament normal dels circuits de protecció contra el soroll d'impuls i per a la construcció d'estabilitzadors de baixa potència.