Come funziona un diodo zener
Il diodo Zener o diodo zener (diodo zener a semiconduttore) è un diodo speciale che opera in una modalità di rottura stabile in condizioni di polarizzazione inversa della giunzione pn. Fino a quando non si verifica questo guasto, solo una corrente molto piccola scorre attraverso il diodo zener, la corrente di dispersione, a causa dell'elevata resistenza del diodo zener chiuso.
Ma quando si verifica un guasto, la corrente aumenta istantaneamente perché la resistenza differenziale dello zener è a questo punto da frazioni a centinaia di ohm. In questo modo, la tensione ai capi del diodo zener viene mantenuta molto precisamente in un intervallo relativamente ampio di correnti inverse.
Il diodo Zener è chiamato diodo Zener (dall'inglese Zener diode) in onore dello scienziato che per primo scoprì il fenomeno della rottura del tunnel, il fisico americano Clarence Melvin Zener (1905-1993).
Il guasto elettrico della giunzione pn, scoperto da Zener, correlato all'effetto tunneling, il fenomeno della dispersione di elettroni attraverso una sottile barriera di potenziale, è ora chiamato effetto zener, che oggi serve nei diodi Zener a semiconduttore.
L'immagine fisica dell'effetto è la seguente.Nella polarizzazione inversa della giunzione p-n, le bande di energia si sovrappongono e gli elettroni possono spostarsi dalla banda di valenza della regione p alla banda di conduzione della regione n, a causa di campo elettrico, questo aumenta il numero di portatori di carica gratuiti e la corrente inversa aumenta notevolmente.
Pertanto, lo scopo principale del diodo zener è stabilizzare la tensione. L'industria produce diodi zener a semiconduttore con tensioni di stabilizzazione da 1,8 V a 400 V, alta, media e bassa potenza, che si differenziano per la massima corrente inversa consentita.
Su questa base vengono realizzati semplici stabilizzatori di tensione. Nei diagrammi, i diodi zener sono indicati da un simbolo simile al simbolo del diodo, con l'unica differenza che il catodo dei diodi zener è raffigurato sotto forma della lettera «G».
I diodi Zener a struttura integrata latente, con una tensione di stabilizzazione di circa 7 V, sono le sorgenti di riferimento di tensione allo stato solido più accurate e stabili: i loro migliori esempi sono caratteristicamente vicini alla normale cella galvanica di Weston (cella galvanica di riferimento al mercurio cadmio).
I diodi a valanga ad alta tensione ("diodi TVS" e "soppressori"), ampiamente utilizzati nei circuiti di protezione contro le sovratensioni di tutti i tipi di apparecchiature, appartengono a un tipo speciale di diodi zener.
Come puoi vedere, il diodo zener, a differenza del diodo convenzionale, funziona sul ramo inverso della caratteristica I - V. In un diodo ordinario, se gli viene applicata una tensione inversa, il guasto può verificarsi in uno dei tre modi (o tutti in una volta): guasto del tunnel, guasto a valanga e guasto dovuto al riscaldamento termico dovuto alle correnti di dispersione.
La rottura termica dei diodi zener al silicio non è importante perché sono progettati in modo che la rottura del tunnel, la rottura a valanga o entrambi i tipi di rottura si verifichino simultaneamente molto prima della tendenza alla rottura termica. I diodi zener della serie sono attualmente realizzati principalmente in silicio.
Un guasto a una tensione inferiore a 5 V è una manifestazione dell'effetto Zener, un guasto superiore a 5 V è una manifestazione di un guasto a valanga. Una tensione di rottura intermedia di circa 5 V risulta solitamente da una combinazione di questi due effetti. L'intensità del campo elettrico al momento della rottura del diodo zener è di circa 30 MV / m.
La rottura del diodo Zener si verifica nei semiconduttori di tipo P moderatamente drogati e nei semiconduttori di tipo N fortemente drogati All'aumentare della temperatura di giunzione, lo stripping del diodo zener diminuisce e aumenta il contributo della rottura a valanga.
I diodi Zener hanno le seguenti caratteristiche tipiche. Vz — tensione di stabilizzazione. La documentazione specifica due valori per questo parametro: la tensione di stabilizzazione massima e minima. Iz è la minima corrente di stabilizzazione. Zz è la resistenza del diodo zener. Izk e Zzk — resistenza corrente e dinamica a corrente continua. Ir e Vr sono la massima corrente e tensione di dispersione a una data temperatura. Tc è il coefficiente di temperatura. Izrm — massima corrente di stabilizzazione del diodo zener.
I diodi Zener sono ampiamente utilizzati come elementi stabilizzanti indipendenti, nonché come sorgenti di tensioni di riferimento (tensioni di riferimento) negli stabilizzatori a transistor.
Per ottenere piccole tensioni di riferimento, anche i diodi zener vengono accesi in avanti, come i normali diodi, quindi la tensione di stabilizzazione di un diodo zener sarà di 0,7 - 0,8 volt.
La potenza massima dissipata dal corpo di un diodo zener è tipicamente nell'intervallo da 0,125 a 1 watt. Questo, di norma, è sufficiente per il normale funzionamento dei circuiti di protezione contro il rumore impulsivo e per la costruzione di stabilizzatori a bassa potenza.