Χαρακτηριστικές καμπύλες διόδου Zener και εύρεση αντίστροφης τάσης διάσπασης

Δίοδος Zener

Μια δίοδος Zener είναι πολύ παρόμοια με μια δίοδο διασταύρωσης PN. Ωστόσο, συνήθως λειτουργεί σε λειτουργία αντίστροφης πόλωσης. Αυτή είναι μια βαριά ντοπαρισμένη δίοδος σύνδεσης PN που έχει δημιουργηθεί ιδιαίτερα. Ως αποτέλεσμα, η δίοδος Zener είναι μια δίοδος ημιαγωγών υψηλής πρόσμιξης που έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Η δίοδος Zener είναι επίσης μια δίοδος που έχει κατασκευαστεί ειδικά για τη μεγιστοποίηση της περιοχής διάσπασης. Σημαίνει ότι το υλικό τύπου n της διόδου είναι συνδεδεμένο με τον θετικό ακροδέκτη του τροφοδοτικού. Το υλικό τύπου P συνδέεται επίσης με το αρνητικό άκρο του τροφοδοτικού. Λόγω του ισχυρά ντοπαρισμένου υλικού ημιαγωγού, η περιοχή εξάντλησης της διόδου είναι εξαιρετικά λεπτή.

Προδιαγραφές διόδου Zener

Οι δίοδοι Zener διατίθενται σε διάφορες διαμορφώσεις, όπως η ονομαστική τάση λειτουργίας, η απαγωγή ισχύος, το μέγιστο αντίστροφο ρεύμα και η συσκευασία. Τα παρακάτω είναι μερικές από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες προδιαγραφές Διόδων Zener:

1.Τάση (V z ): Η τάση αντίστροφης διάσπασης, η οποία μπορεί να κυμαίνεται από 2,4 V έως περίπου 200 V, αναφέρεται ως τάση Zener. Ακόμα κι έτσι, μπορεί να φτάσει το 1 kV, ενώ η μέγιστη τάση της επιφανειακής συσκευής είναι περίπου 47 V.

2.Τρέχον (I z -μέγ.): Στην ονομαστική τάση Zener Vz, το μέγιστο ρεύμα θα κυμαίνεται από 200 μικροαμπέρ έως 200 αμπέρ.

3.Τρέχον (I z -ελάχ.): Το ελάχιστο ρεύμα που απαιτείται για τη διάσπαση της διόδου θα είναι μεταξύ 5 και 10 mA.

4. Βαθμολογία ισχύος: Το γινόμενο της τάσης κατά μήκος της διόδου και του ρεύματος που τη διαρρέει καθορίζει τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να διασκορπιστεί από τη δίοδο Zener. 400 mW, 500 mW, 1 W και 5 W είναι μερικές κοινές ποσότητες.

5. Συνήθως, χρησιμοποιείται μια ανοχή τάσης 5%.

6.Η σταθερότητα θερμοκρασίας της διόδου είναι περίπου 5 V.

7. Οι συσκευές επιφανειακής βάσης και μολύβδου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ξεχωριστές συσκευές ή ως μέρος ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

8.Αντίσταση Zener (δηλαδή, R z ): Η δίοδος έχει επίσης μια τιμή αντίστασης, η οποία μπορεί να φανεί στα χαρακτηριστικά I-V.

Λειτουργία της διόδου Zener

Καθώς αυξάνεται η αντίστροφη τάση που εφαρμόζεται στη δίοδο Zener, επιτυγχάνεται η τάση διάσπασης, στην οποία το ρεύμα Zener φτάνει σε υψηλή τιμή. Περαιτέρω αυξήσεις στην αντίστροφη τάση δεν θα αυξήσουν την τάση στη δίοδο Zener στην περιοχή βλάβης. Αντίθετα, θα αυξήσουν το ρεύμα. Όταν η τάση τροφοδοσίας αλλάζει, μια σταθερή τιμή που ονομάζεται τάση Zener (Vz) διατηρείται σε όλη τη δίοδο Zener. Ως αποτέλεσμα, χρησιμεύει ως ρυθμιστής τάσης.

Λαμβάνοντας αντίστροφη τάση κατά μήκος του αρνητικού άξονα Χ και αντίστροφου ρεύματος κατά μήκος του αρνητικού άξονα Υ, προκύπτει το αντίστροφο χαρακτηριστικό. Το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται σε μια τεράστια τιμή καθώς η αντίστροφη τάση φτάνει σε μια συγκεκριμένη τιμή, ωστόσο η τάση κατά μήκος της διόδου παραμένει σταθερή. Vz είναι η τάση στην οποία το κύκλωμα διακόπτεται.

Καμπύλη V-I Χαρακτηριστικών Διόδου Zener

Η δίοδος Zener περνά από πολλά διαφορετικά στάδια ή ζώνες, τα οποία περιγράφονται εδώ.

(α). Η δίοδος Zener λαμβάνει μπροστινή τάση, η οποία είναι θετική τάση στους ακροδέκτες ανόδου και καθόδου, στο δεξί μισό της καμπύλης χαρακτηριστικών. Σε αυτή την περιοχή, η δίοδος είναι πολωμένη προς τα εμπρός. Το ρεύμα είναι μικρό για λίγο κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, έως ότου η τάση φτάσει σε ένα συγκεκριμένο σημείο, γνωστό ως τάση κατωφλίου, οπότε και αυξάνεται εκθετικά.

(β). Όταν πρόκειται για διόδους Zener, το αριστερό μισό της καμπύλης χαρακτηριστικών είναι πιο ουσιαστικό. Η δίοδος Zener δέχεται θετική τάση στους ακροδέκτες καθόδου και ανόδου σε αυτό το σημείο. Σε αυτή την περιοχή, η δίοδος έχει αντίστροφη πόλωση. Κατά τη λήψη αντίστροφης τάσης, το ρεύμα είναι αρχικά αρκετά χαμηλό. Η δίοδος έχει μόνο ένα μικρό ρεύμα που τη διαπερνά, γνωστό ως ρεύμα διαρροής. Όταν φτάσει στην τάση διάσπασης, το ρεύμα εκτοξεύεται στα ύψη. Λόγω των ακραίων κορυφών του, αυτό το ρεύμα είναι γνωστό ως ρεύμα χιονοστιβάδας.

(γ). Το σημείο τάσης διάσπασης είναι πολύ σημαντικό, όχι μόνο λόγω του ρεύματος χιονοστιβάδας, αλλά και επειδή μόλις η τάση της διόδου Zener φτάσει σε αυτό το σημείο, παραμένει σταθερή σε αυτήν την τάση, ακόμα κι αν το ρεύμα διαμέσου της αυξάνεται δραματικά. Αυτό καθιστά τη δίοδο Zener πολύτιμη σε εφαρμογές ρύθμισης τάσης.

(δ). Όταν η τάση σε ένα Zener φτάσει σε αυτήν την τάση διάσπασης, γνωστή και ως τάση Zener μιας διόδου Zener, VZ, η τάση που μειώνει ένα Zener δεν θα αυξηθεί. Εάν μια δίοδος Zener έχει τάση Zener 5,1 V και η τάση που τροφοδοτεί τη δίοδο είναι περίπου 5,1 V, το Zener θα πέσει 5,1 V στους ακροδέκτες του. Ακόμα κι αν η τάση (και το ρεύμα) που την τροφοδοτεί συνεχίσει να αυξάνεται, ας πούμε στα 12 V, η δίοδος Zener θα διατηρήσει την τάση Zener στα 5,1 V.

(ε). Αυτό είναι το μοναδικό πιο σημαντικό χαρακτηριστικό μιας διόδου Zener, που της επιτρέπει να λειτουργεί ως ρυθμιστής τάσης σε ένα κύκλωμα, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Ακόμα κι αν η τάση ή το ρεύμα στο κύκλωμα αυξηθεί, η τάση που μειώνεται σε ένα Zener δεν θα ξεπεράσει τη διάσπαση ή την τάση Zener, όπως φαίνεται από την καμπύλη χαρακτηριστικών I-V παραπάνω.

Ανάλυση Zener

Η αστοχία προκαλείται από το φαινόμενο της βλάβης Zener, το οποίο συμβαίνει όταν η τάση πέσει κάτω από τα 5,5 βολτ. Θα μπορούσε επίσης να έχει επίδραση στον ιονισμό που συμβαίνει στα 5,5 Volt. Και οι δύο διαδικασίες παρέχουν τα ίδια αποτελέσματα και επομένως δεν απαιτούν ξεχωριστό κύκλωμα. Ωστόσο, ο συντελεστής θερμοκρασίας για κάθε διαδικασία είναι διαφορετικός. Ο συντελεστής θερμοκρασίας του φαινομένου Zener είναι αρνητικός, ενώ ο συντελεστής θερμοκρασίας του φαινομένου κρούσης είναι θετικός. Δεδομένου ότι τα δύο φαινόμενα θερμοκρασίας είναι σχεδόν ισοδύναμα, ακυρώνουν το ένα το άλλο. Εξαιτίας αυτού, οι δίοδοι Zener είναι οι πιο σταθερές σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασίας.

Ανάλυση χιονοστιβάδων 

Το αντίστροφο ρεύμα κορεσμού είναι υπεύθυνο για τον μηχανισμό διάσπασης της χιονοστιβάδας. Η διασταύρωση PN αποτελείται από υλικά τύπου P και N. Στο σημείο όπου συναντώνται τα υλικά τύπου P και N, σχηματίζεται μια περιοχή εξάντλησης.

Τα υλικά τύπου P και N στη διασταύρωση PN δεν είναι ιδανικά και περιέχουν ακαθαρσίες, όπως ηλεκτρόνια στο υλικό τύπου p και οπές στο υλικό τύπου N. Το πλάτος της περιοχής εξάντλησης ποικίλλει. Το πλάτος τους καθορίζεται από την προκατάληψη που δίνεται στους ακροδέκτες της περιοχής P και N.

Το ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος της ζώνης εξάντλησης αυξάνεται από την αντίστροφη πόλωση. Όταν ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο επικρατεί σε όλη την εξάντληση, η ταχύτητα του μειοψηφικού φορέα φορτίου αυξάνεται καθώς διασχίζει την περιοχή εξάντλησης. Αυτοί οι φορείς συγκρούονται με τα άτομα του κρυστάλλου. Ο φορέας φορτίου τραβά τα ηλεκτρόνια από το άτομο λόγω της ισχυρής σύγκρουσης.

Το ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών αυξάνεται ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης. Τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών χωρίζονται γρήγορα και συνθλίβονται με τα άλλα άτομα στους κρυστάλλους καθώς προκαλούν το υψηλό ηλεκτρικό πεδίο. Η διαδικασία είναι σε εξέλιξη και καθώς το ηλεκτρικό πεδίο αυξάνεται, αρχίζει να ρέει αντίστροφο ρεύμα στη διασταύρωση PN. Το Avalanche Breakdown είναι το όνομα αυτής της διαδικασίας. Η διασταύρωση δεν μπορεί να επανέλθει στην προηγούμενη θέση της μετά τη βλάβη, επειδή η δίοδος έχει καεί εντελώς.

Συμπέρασμα

Η δίοδος Zener είναι μια συσκευή ημιαγωγών κατασκευασμένη από πυρίτιο που επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει και προς τις δύο κατευθύνσεις. Όταν επιτευχθεί μια συγκεκριμένη τάση, η ειδική, υψηλής πρόσμιξης p-n διασταύρωση της διόδου έχει σχεδιαστεί για να οδηγεί προς την άλλη κατεύθυνση. Η δίοδος Zener έχει μια καλά καθορισμένη τάση αντίστροφης διάσπασης στην οποία αρχίζει να διεξάγει ρεύμα και μπορεί να λειτουργεί σε αντίστροφη πόλωσης λειτουργία επ' αόριστον χωρίς ζημιά. Επιπλέον, η πτώση τάσης στη δίοδο παραμένει σταθερή σε ένα ευρύ φάσμα τάσεων, καθιστώντας τις διόδους Zener ιδανικές για ρύθμιση τάσης.