Cómo funciona un diodo zener
El diodo zener o diodo zener (diodo zener semiconductor) es un diodo especial que funciona en un modo de ruptura estable en condiciones de polarización inversa de la unión pn. Hasta que se produce esta ruptura, solo fluye una corriente muy pequeña a través del diodo zener, la corriente de fuga, debido a la alta resistencia del diodo zener cerrado.
Pero cuando ocurre una falla, la corriente aumenta instantáneamente porque la resistencia diferencial del zener es en este punto de fracciones a cientos de ohmios. De esta manera, el voltaje a través del diodo zener se mantiene con mucha precisión en un rango relativamente amplio de corrientes inversas.
El diodo Zener se llama diodo Zener (del inglés diodo Zener) en honor al científico que descubrió por primera vez el fenómeno de la ruptura del túnel, el físico estadounidense Clarence Melvin Zener (1905 - 1993).
La ruptura eléctrica de la unión pn, descubierta por Zener, relacionada con el efecto túnel, el fenómeno de la fuga de electrones a través de una delgada barrera de potencial, ahora se denomina efecto zener, que hoy sirve en los diodos semiconductores Zener.
La imagen física del efecto es la siguiente.En la polarización inversa de la unión p-n, las bandas de energía se superponen y los electrones pueden pasar de la banda de valencia de la región p a la banda de conducción de la región n, debido a campo eléctrico, esto aumenta el número de portadores de carga gratuitos y la corriente inversa aumenta considerablemente.
Por lo tanto, el propósito principal del diodo zener es estabilizar el voltaje. La industria produce diodos zener semiconductores con voltajes de estabilización de 1,8 V a 400 V, de alta, media y baja potencia, que difieren en la corriente inversa máxima permitida.
Los estabilizadores de voltaje simples se fabrican sobre esta base. En los diagramas, los diodos zener se indican con un símbolo similar al símbolo del diodo, con la única diferencia de que el cátodo de los diodos zener se representa con la forma de la letra «G».
Los diodos Zener con una estructura integrada latente, con un voltaje de estabilización de alrededor de 7 V, son las fuentes de referencia de voltaje de estado sólido más precisas y estables: sus mejores ejemplos son característicamente cercanos a la celda galvánica normal de Weston (celda galvánica de referencia de mercurio y cadmio) .
Los diodos de avalancha de alto voltaje ("diodos TVS" y "supresores"), que se utilizan ampliamente en los circuitos de protección contra sobretensiones de todo tipo de equipos, pertenecen a un tipo especial de diodos zener.
Como puede ver, el diodo zener, a diferencia del diodo convencional, funciona en la rama inversa de la característica I — V. En un diodo ordinario, si se le aplica un voltaje inverso, la falla puede ocurrir de tres maneras (o todas a la vez): ruptura de túnel, ruptura de avalancha y ruptura debido al calentamiento térmico de las corrientes de fuga.
La ruptura térmica de los diodos zener de silicio no es importante porque están diseñados para que la ruptura del túnel, la ruptura de la avalancha o ambos tipos de ruptura ocurran simultáneamente mucho antes de la tendencia de ruptura térmica. Los diodos zener en serie actualmente están hechos principalmente de silicio.
Una ruptura a un voltaje por debajo de 5 V es una manifestación del efecto Zener, una ruptura por encima de 5 V es una manifestación de una ruptura por avalancha. Una tensión de ruptura intermedia de unos 5 V suele resultar de una combinación de estos dos efectos. La fuerza del campo eléctrico en el momento de la ruptura del diodo zener es de aproximadamente 30 MV / m.
La ruptura del diodo Zener se produce en semiconductores de tipo P moderadamente dopados y semiconductores de tipo N muy dopados. A medida que aumenta la temperatura de la unión, disminuye la eliminación del diodo zener y aumenta la contribución de la ruptura de la avalancha.
Los diodos Zener tienen las siguientes características típicas. Vz — tensión de estabilización. La documentación especifica dos valores para este parámetro: el voltaje de estabilización máximo y mínimo. Iz es la corriente de estabilización mínima. Zz es la resistencia del diodo zener. Izk y Zzk: resistencia actual y dinámica a corriente continua. Ir y Vr son la corriente y el voltaje de fuga máximos a una temperatura determinada. Tc es el coeficiente de temperatura. Izrm — corriente máxima de estabilización del diodo zener.
Los diodos Zener se utilizan ampliamente como elementos estabilizadores independientes, así como también como fuentes de voltajes de referencia (voltajes de referencia) en estabilizadores de transistores.
Para obtener voltajes de referencia pequeños, los diodos zener también se encienden hacia adelante, como los diodos comunes, luego el voltaje de estabilización de un diodo zener será de 0.7 a 0.8 voltios.
La potencia máxima disipada por el cuerpo de un diodo zener suele estar en el rango de 0,125 a 1 vatio. Esto, por regla general, es suficiente para el funcionamiento normal de los circuitos de protección contra el ruido impulsivo y para la construcción de estabilizadores de baja potencia.