Un diodo Zener es un tipo especial de diodo diseñado para permitir de manera confiable que la corriente fluya "hacia atrás" cuando se alcanza un cierto voltaje inverso establecido, conocido como voltaje Zener .
Tipo | Activo |
---|---|
Principio de funcionamiento | Efecto Zener |
Inventado | Clarence Melvin Zener |
Configuración de pines | ánodo y cátodo |
Símbolo electrónico | |
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 la conducción inversa se produce debido al túnel cuántico de electrones en el espacio corto entre las regiones p y n; esto se conoce como efecto Zener , después de Clarence Zener . Los diodos con un voltaje Zener más alto tienen una unión más gradual y su modo de funcionamiento 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 ruptura por avalancha en voltajes más altos.
Los diodos Zener se utilizan ampliamente en equipos electrónicos de todo tipo y son uno de los componentes básicos de los circuitos electrónicos . Se utilizan para generar rieles de alimentación 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 contra sobretensiones , especialmente descargas electrostáticas (ESD).
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 ruptura de las propiedades de los aislantes eléctricos. Más tarde, su trabajo llevó a la implementación de Bell Labs del efecto en forma de un dispositivo electrónico, el diodo Zener. [1]
Operación
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 alta corriente debido a la ruptura de avalancha. A menos que esta corriente esté limitada por circuitos, 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. A diferencia del 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 exhibe 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 de amplificación ) o como estabilizador de voltaje para aplicaciones de baja corriente. [2]
Otro mecanismo que produce un efecto similar es el efecto de avalancha como en el diodo de avalancha . [2] De hecho, los dos tipos de diodos se construyen de la misma manera y ambos efectos están presentes en diodos de este tipo. En diodos de silicio de hasta aproximadamente 5,6 voltios, el efecto Zener es el efecto predominante y muestra un marcado coeficiente de temperatura negativo . Por encima de 5,6 voltios, el efecto de avalancha se vuelve predominante y presenta un coeficiente de temperatura positivo. [3]
En un diodo de 5.6 V, los dos efectos ocurren juntos y sus coeficientes de temperatura casi se cancelan 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 voltaje que deben ser altamente estables durante largos períodos de tiempo, es usar un diodo Zener con un coeficiente de temperatura (TC) de +2 mV / ° C (voltaje de ruptura 6.2-6.3 V) conectado en serie con un diodo de silicio polarizado hacia adelante (o una unión BE de transistor) fabricado en el mismo chip. [4] El diodo de polarización directa tiene un coeficiente de temperatura de -2 mV / ° C, lo que hace que los TC se cancelen.
Las técnicas de fabricación modernas han producido dispositivos con voltajes inferiores a 5,6 V con coeficientes de temperatura insignificantes, [ cita requerida ] pero a medida que se encuentran dispositivos de voltaje más alto, el coeficiente de temperatura aumenta drásticamente. Un diodo de 75 V tiene 10 veces el coeficiente de un diodo de 12 V. [ cita requerida ]
Los diodos Zener y de avalancha, independientemente del voltaje de ruptura, generalmente se comercializan 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 enfocar sus condiciones de sesgo. La curva IV para Zener 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 pn . La región de agotamiento formada en el diodo es muy delgada (<1 m) y el campo eléctrico es por consiguiente muy alta (alrededor de 500 kV / m) incluso para una pequeña tensión de polarización inversa de aproximadamente 5 V, lo que permite electrones a túnel desde la banda de valencia del material de tipo p a la banda de conducción del material de tipo n.
A escala atómica, este 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. [3] El voltaje de ruptura se puede controlar con bastante precisión en el proceso de dopaje. Si bien se dispone de tolerancias dentro del 0,07%, las tolerancias más utilizadas son el 5% y el 10%. El voltaje de ruptura de 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 mayor (más de 5,6 V) para estos dispositivos. [5]
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 procesos bipolares comunes y aproximadamente 10 V para regiones de base ligeramente dopadas en procesos BiCMOS . Los procesos más antiguos con un control deficiente de las características de dopaje tenían la 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 colector y emisor conectado entre sí como su cátodo y la región de base como ánodo. En este enfoque, el perfil de dopaje de la base generalmente se estrecha hacia la superficie, creando una región con 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 causar entonces una 'salida Zener', un cambio correspondiente del voltaje Zener de la unión. El mismo efecto se puede lograr mediante daños por radiación .
Los diodos Zener de la base del 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 corto muy alto) causa daño térmico a 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 metalización a través de la unión ("picos") puede usarse intencionalmente como un antifusible 'Zener zap' . [6]
Zeners subsuperficiales
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, típicamente varios micrómetros por debajo del óxido. Los portadores calientes pierden energía por colisiones con la red de semiconductores antes de alcanzar la capa de óxido y no pueden quedar atrapados allí. Por lo tanto, el fenómeno de la salida de Zener no ocurre aquí, y los Zener enterrados tienen voltaje constante durante toda su vida. La mayoría de los Zener enterrados tienen un voltaje de ruptura de 5-7 voltios. Se utilizan varias estructuras de unión diferentes. [7]
Usos
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. [8]
En este circuito, una referencia o regulador de voltaje típico, un voltaje de entrada, U in , se regula a un voltaje de salida estable U out . La tensión de ruptura del diodo D es estable en un amplio rango de corriente y mantiene U hacia fuera aproximadamente constante a pesar de que la tensión de entrada puede fluctuar en un amplio intervalo. Debido a la baja impedancia del diodo cuando se opera así, la resistencia R se usa para limitar la corriente a través del circuito.
En el caso de esta simple referencia, la corriente que fluye en el diodo se determina usando la ley de Ohm y la caída de voltaje conocida a través de la resistencia R ;
El valor de R debe satisfacer dos condiciones:
- R debe ser lo suficientemente pequeño para que la corriente a través de D mantenga a D en ruptura inversa. El valor de esta corriente se da en la hoja de datos para D. Por ejemplo, el dispositivo común BZX79C5V6 [9] , un diodo Zener de 5,6 V 0,5 W, tiene una corriente inversa recomendada de 5 mA. Si existe una corriente insuficiente a través de D, entonces U out no está regulado y es menor que el voltaje de ruptura nominal (esto difiere de los tubos reguladores de voltaje donde el voltaje de salida es más alto que el nominal y podría subir hasta U in ). Al calcular R , se debe tener en cuenta cualquier corriente a través de la carga externa, que no se muestra en este diagrama, conectada a través de U hacia fuera .
- R debe ser lo suficientemente grande como para que la corriente a través de D no destruya el dispositivo. Si la corriente a través de D es I D , su voltaje de ruptura V B y su disipación de potencia máxima P max se correlacionan como tales:.
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 se utilizan a menudo 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 como 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 mucha corriente fluyendo en el diodo la mayor parte del tiempo. , lo que lo convierte en un regulador bastante derrochador con una alta disipación de potencia en reposo, adecuado solo para cargas más pequeñas.
Estos dispositivos también se encuentran, típicamente 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 de coeficiente de compensación de temperatura de la unión p – n del transistor. . Un ejemplo de este tipo de uso sería un amplificador de error de CC utilizado en un sistema de circuito de retroalimentación de circuito de suministro de energía regulado .
Los diodos Zener también se utilizan en protectores contra sobretensiones para limitar los picos de voltaje transitorios.
Otra aplicación del diodo Zener es el uso del ruido causado por la ruptura de su avalancha en un generador de números aleatorios .
Clipper de forma de onda
Dos diodos Zener enfrentados en serie recortan ambas mitades de una señal de entrada. Los cortadores 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. [10]
Variador de voltaje
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
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 .
Ver también
- Diodo hacia atrás
- Serie E de números preferidos
- Diodo de supresión de voltaje transitorio
Referencias
- ^ Saxon, Wolfgang (6 de julio de 1993). "Clarence M. Zener, 87, físico y profesor de Carnegie Mellon" . The New York Times .
- ^ a b Millman, Jacob (1979). Microelectrónica . McGraw Hill. págs. 45–48 . ISBN 978-0071005968.
- ^ a b Dorf, Richard C., ed. (1993). El manual de ingeniería eléctrica . Boca Ratón: CRC Press. pag. 457. ISBN 0-8493-0185-8.
- ^ Calibración: Filosofía en la práctica . Casualidad. 1994. págs. 7-10. ISBN 0963865005.
- ^ Rakesh Kumar Garg, Ashish Dixit, Pavan Yadav, Electrónica básica , p. 150, Firewall Media, 2008 ISBN 8131803023 .
- ^ Comer, Donald T. (1996). "Ajuste anti-fusible Zener Zap en circuitos VLSI" . Diseño VLSI . 5 : 89. doi : 10.1155 / 1996/23706 .
- ^ Hastings, Alan (2005). El arte del diseño analógico (segunda ed.). Prentice Hall. ISBN 9780131464100.
- ^ Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989). El arte de la electrónica (2ª ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 68–69 . ISBN 0-521-37095-7.
- ^ "BZX79C5V6 - 5.6V, 0.5W Diodo Zener - hoja de datos" . Fairchild Semiconductor . Consultado el 22 de julio de 2014 .
- ^ Diffenderfer, Robert (2005). Dispositivos electrónicos: sistemas y aplicaciones . Thomas Delmar Learning. págs. 95-100. ISBN 1401835147. Consultado el 22 de julio de 2014 .
Otras lecturas
- Consideraciones de diseño y teoría de TVS / Zener ; ON Semiconductor; 127 páginas; 2005; HBD854 / D. (Descarga gratuita de PDF)
enlaces externos
- Tabla de números de pieza axiales del diodo Zener