Diodo Zener

Un diodo Zener es un tipo especial de diodo diseñado para permitir que la corriente fluya "hacia atrás" (polaridad invertida) cuando se alcanza un determinado voltaje inverso, conocido como voltaje Zener.

Los diodos Zener se fabrican con una gran variedad de voltajes Zener y algunos incluso son variables. Algunos diodos Zener tienen una unión p-n nítida y altamente dopada con un voltaje Zener bajo, en cuyo caso se produce la conducción inversa debido a la tunelización cuántica de electrones en el breve espacio entre las regiones p y n; esto se conoce como el efecto Zener, después de Clarence Zener. Los diodos con un voltaje Zener más alto tienen una unión más gradual y su modo de operación también implica una ruptura por avalancha. Ambos tipos de ruptura están presentes en los diodos Zener, predominando el efecto Zener en voltajes más bajos y la ruptura por avalancha en voltajes más altos.

Se utilizan para generar rieles de suministro estabilizados de baja potencia a partir de un voltaje más alto y para proporcionar voltajes de referencia para circuitos, especialmente fuentes de alimentación estabilizadas. También se utilizan para proteger circuitos de sobretensiones, especialmente descargas electrostáticas.

Historia

El dispositivo lleva el nombre del físico estadounidense Clarence Zener, quien describió por primera vez el efecto Zener en 1934 en sus estudios principalmente teóricos sobre la descomposición de las propiedades del aislante eléctrico. Más tarde, su trabajo llevó a Bell Labs a implementar el efecto en forma de un dispositivo electrónico, el diodo Zener.

Operación

Característica actual de un diodo Zener con un voltaje de descomposición de 3.4 V.

Coeficiente de temperatura del voltaje Zener contra nominal Tensión Zener.

Un diodo de estado sólido convencional permite una corriente significativa si tiene polarización inversa por encima de su voltaje de ruptura inversa. Cuando se excede el voltaje de ruptura de polarización inversa, un diodo convencional está sujeto a una corriente alta debido a la ruptura por avalancha. A menos que esta corriente esté limitada por un circuito, el diodo puede dañarse permanentemente debido al sobrecalentamiento. Un diodo Zener exhibe casi las mismas propiedades, excepto que el dispositivo está especialmente diseñado para tener un voltaje de ruptura reducido, el llamado voltaje Zener. En contraste con el dispositivo convencional, un diodo Zener con polarización inversa exhibe una ruptura controlada y permite que la corriente mantenga el voltaje a través del diodo Zener cerca del voltaje de ruptura Zener. Por ejemplo, un diodo con un voltaje de ruptura Zener de 3,2 V presenta una caída de voltaje de casi 3,2 V en una amplia gama de corrientes inversas. Por lo tanto, el diodo Zener es ideal para aplicaciones como la generación de un voltaje de referencia (por ejemplo, para una etapa amplificadora) o como estabilizador de voltaje para aplicaciones de baja corriente.

Otro mecanismo que produce un efecto similar es el efecto de avalancha como en el diodo de avalancha. De hecho, los dos tipos de diodos están construidos de la misma manera y ambos efectos están presentes en diodos de este tipo. En diodos de silicio hasta aproximadamente 5,6 voltios, el efecto Zener es el efecto predominante y muestra un coeficiente de temperatura negativo marcado. Por encima de 5,6 voltios, el efecto de avalancha se vuelve predominante y exhibe un coeficiente de temperatura positivo.

En un diodo de 5,6 V, los dos efectos ocurren juntos y sus coeficientes de temperatura casi se anulan entre sí, por lo que el diodo de 5,6 V es útil en aplicaciones de temperatura crítica. Una alternativa, que se utiliza para referencias de tensión que deben ser muy estables durante largos periodos de tiempo, es utilizar un diodo Zener con un coeficiente de temperatura (TC) de +2 mV/°C (tensión de ruptura 6,2–6,3 V) conectado en serie con un diodo de silicio con polarización directa (o una unión B-E de transistor) fabricado en el mismo chip. El diodo con polarización directa tiene un coeficiente de temperatura de −2 mV/°C, lo que hace que los TC se cancelen.

También vale la pena señalar que el coeficiente de temperatura de un diodo Zener de 4,7 V es similar al de la unión base-emisor de un transistor de silicio en alrededor de -2 mV/°C, por lo que en un circuito de regulación simple donde el 4,7 El diodo V establece el voltaje en la base de un transistor NPN (es decir, sus coeficientes actúan en paralelo), el emisor estará alrededor de 4 V y será bastante estable con la temperatura. Los dispositivos modernos por debajo de 4,7 V tienen coeficientes de baja temperatura similares, por lo que vale la pena consultar las hojas de especificaciones (o medir) el coeficiente de dispositivos específicos si desea lograr voltajes estables a la temperatura.

Las técnicas de fabricación modernas han producido dispositivos con voltajes inferiores a 5,6 V con coeficientes de temperatura insignificantes, pero a medida que se encuentran dispositivos de mayor voltaje, el coeficiente de temperatura aumenta drásticamente. Un diodo de 75 V tiene 10 veces el coeficiente de un diodo de 12 V.

Los diodos zener y de avalancha, independientemente del voltaje de ruptura, se comercializan generalmente bajo el término general de "diodo zener".

Por debajo de 5,6 V, donde domina el efecto Zener, la curva IV cerca de la ruptura es mucho más redondeada, lo que requiere más cuidado al enfocarse en sus condiciones de polarización. La curva IV para Zeners por encima de 5,6 V (dominada por avalancha) es mucho más pronunciada en la ruptura.

Construcción

El funcionamiento del diodo Zener depende del fuerte dopaje de su unión p-n. La región de agotamiento formada en el diodo es muy delgada (<1 µm) y, en consecuencia, el campo eléctrico es muy alto (alrededor de 500 kV/m) incluso para un voltaje de polarización inversa pequeño de aproximadamente 5 V, lo que permite que los electrones pasen por túnel desde la valencia. banda del material de tipo p a la banda de conducción del material de tipo n.

A escala atómica, este efecto túnel corresponde al transporte de electrones de la banda de valencia a los estados de la banda de conducción vacía; como resultado de la barrera reducida entre estas bandas y los altos campos eléctricos que se inducen debido a los altos niveles de dopaje en ambos lados. El voltaje de ruptura se puede controlar con bastante precisión en el proceso de dopaje. Si bien están disponibles tolerancias dentro del 0,07 %, las tolerancias más utilizadas son el 5 % y el 10 %. El voltaje de ruptura para los diodos Zener comúnmente disponibles puede variar ampliamente de 1,2 V a 200 V.

Para los diodos que están ligeramente dopados, la ruptura está dominada por el efecto de avalancha en lugar del efecto Zener. En consecuencia, el voltaje de ruptura es más alto (más de 5,6 V) para estos dispositivos.

Zeners de superficie

La unión emisor-base de un transistor NPN bipolar se comporta como un diodo Zener, con un voltaje de ruptura de aproximadamente 6,8 V para los procesos bipolares comunes y de aproximadamente 10 V para las regiones base ligeramente dopadas en los procesos BiCMOS. Los procesos más antiguos con un control deficiente de las características de dopaje tenían una variación del voltaje Zener de hasta ±1 V, los procesos más nuevos que utilizan la implantación de iones no pueden alcanzar más de ±0,25 V. La estructura del transistor NPN se puede emplear como un diodo Zener de superficie, con el colector y el emisor conectados entre sí como cátodo y la base como ánodo. En este enfoque, el perfil de dopaje base generalmente se estrecha hacia la superficie, creando una región con un campo eléctrico intensificado donde ocurre la ruptura de la avalancha. Los portadores calientes producidos por la aceleración en el campo intenso en algún momento se disparan hacia la capa de óxido sobre la unión y quedan atrapados allí. La acumulación de cargas atrapadas puede provocar una "salida del zener", un cambio correspondiente del voltaje del zener de la unión. El mismo efecto se puede lograr mediante el daño por radiación.

Los diodos Zener de base de emisor solo pueden manejar corrientes más pequeñas ya que la energía se disipa en la región de agotamiento de la base, que es muy pequeña. Una mayor cantidad de energía disipada (corriente más alta durante más tiempo o un pico de corriente muy alto y breve) provoca daños térmicos en la unión y/o sus contactos. El daño parcial de la unión puede cambiar su voltaje Zener. La destrucción total de la unión Zener al sobrecalentarla y provocar la migración de la metalización a través de la unión ("spiking") se puede usar intencionalmente como un 'Zener zap' antifusible

Zeners del subsuelo

Estructura enterrada de Zener

Un diodo Zener subterráneo, también llamado "Zener enterrado", es un dispositivo similar al Zener superficial, pero con la región de avalancha ubicada más profundamente en la estructura, generalmente varios micrómetros por debajo del óxido. Los portadores calientes luego pierden energía por colisiones con la red de semiconductores antes de llegar a la capa de óxido y no pueden quedar atrapados allí. Por lo tanto, el fenómeno de la huelga de Zener no ocurre aquí, y los Zener enterrados tienen un voltaje constante durante toda su vida útil. La mayoría de los Zeners enterrados tienen un voltaje de ruptura de 5 a 7 voltios. Se utilizan varias estructuras de unión diferentes.

Usos

El diodo Zener se muestra con paquetes típicos. Inversión corriente − − iZ{displaystyle - Sí. se muestra.

Los diodos Zener se utilizan ampliamente como referencias de voltaje y como reguladores de derivación para regular el voltaje en circuitos pequeños. Cuando se conecta en paralelo con una fuente de voltaje variable para que tenga polarización inversa, un diodo Zener conduce cuando el voltaje alcanza el voltaje de ruptura inversa del diodo. A partir de ese momento, la baja impedancia del diodo mantiene el voltaje a través del diodo en ese valor.

En este circuito, una referencia o regulador de voltaje típico, un voltaje de entrada, U_in (con + en la parte superior), se regula a un voltaje de salida estable T_fuera. El voltaje de ruptura del diodo D es estable en un amplio rango de corriente y mantiene U_out aproximadamente constante aunque el voltaje de entrada puede fluctuar en un amplio rango. Debido a la baja impedancia del diodo cuando se opera de esta manera, la resistencia R se usa para limitar la corriente a través del circuito.

En el caso de esta referencia simple, la corriente que fluye en el diodo se determina utilizando la ley de Ohm y la caída de voltaje conocida en la resistencia R;

Idiodo=Udentro− − UFuera.R{displaystyle I_{text{diode}={frac {fnK}} {fn}} {fn}}}} {f}}} {f}} {f} {f}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}} {f}}}}}} {f}} {f}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

El valor de R debe cumplir dos condiciones:

1. R debe ser lo suficientemente pequeño que la corriente a través de D mantiene D en el colapso inverso. El valor de esta corriente se da en la hoja de datos para D. Por ejemplo, el dispositivo BZX79C5V6 común, un diodo Zener 5.6 V 0.5 W, tiene una corriente reversa recomendada de 5MA. Si la corriente insuficiente existe a través de D, entonces U_Fuera. no está regulado y menos que el voltaje nominal de descomposición (esto difiere de los tubos de regulación de voltaje donde el voltaje de salida es más alto que nominal y podría subir tan alto como U_dentro). Al calcular R, la asignación debe hacerse para cualquier corriente a través de la carga externa, no se muestra en este diagrama, conectado a través U_Fuera..
2. R debe ser lo suficientemente grande que la corriente a través de D no destruye el dispositivo. Si la corriente a través de D es I_D, su tensión de descomposición V_B y su disipación de potencia máxima P_max correlate as such: <math alttext="{displaystyle I_{D}V_{B}

   IDVB.Pmax{displaystyle Yo...<img alt="{displaystyle I_{D}V_{B}

   .

Se puede colocar una carga a través del diodo en este circuito de referencia y, mientras el Zener permanezca en ruptura inversa, el diodo proporciona una fuente de voltaje estable a la carga. Los diodos Zener en esta configuración a menudo se usan como referencias estables para circuitos reguladores de voltaje más avanzados.

Los reguladores de derivación son simples, pero los requisitos de que la resistencia de balasto sea lo suficientemente pequeña para evitar una caída de voltaje excesiva durante el peor de los casos (voltaje de entrada bajo concurrente con corriente de carga alta) tiende a dejar una gran cantidad de corriente fluyendo en el diodo. de la época, lo que lo convierte en un regulador bastante derrochador con una alta disipación de energía en reposo, adecuado solo para cargas más pequeñas.

Estos dispositivos también se encuentran, normalmente en serie con una unión base-emisor, en etapas de transistor donde la elección selectiva de un dispositivo centrado en la avalancha o el punto Zener se puede utilizar para introducir el equilibrio del coeficiente de temperatura de compensación del transistor p unión –n. Un ejemplo de este tipo de uso sería un amplificador de error de CC utilizado en un sistema de bucle de retroalimentación de circuito de fuente de alimentación regulada.

Los diodos Zener también se utilizan en protectores contra sobretensiones para limitar los picos de tensión transitorios.

Otra aplicación del diodo Zener es el uso del ruido causado por su ruptura de avalancha en un generador de números aleatorios.

Recortador de forma de onda

Ejemplos de un clipper onda (V)_dentro polaridad es irrelevante)

Dos diodos Zener enfrentados en serie recortan ambas mitades de una señal de entrada. Los recortadores de forma de onda se pueden usar no solo para remodelar una señal, sino también para evitar que los picos de voltaje afecten los circuitos que están conectados a la fuente de alimentación.

Cambiador de voltaje

Ejemplos de un cambiador de tensión

Se puede aplicar un diodo Zener a un circuito con una resistencia para que actúe como un cambiador de voltaje. Este circuito reduce el voltaje de salida en una cantidad que es igual al voltaje de ruptura del diodo Zener.

Regulador de voltaje

Ejemplos de un regulador de tensión (V)_dentro + está en la parte superior)

Se puede aplicar un diodo Zener en un circuito regulador de voltaje para regular el voltaje aplicado a una carga, como en un regulador lineal.