Jak funguje zenerova dioda

Zenerova dioda nebo zenerova dioda (polovodičová zenerova dioda) je speciální dioda, která pracuje ve stabilním průrazném režimu za podmínek zpětného předpětí pn přechodu. Dokud nedojde k tomuto průrazu, protéká zenerovou diodou jen velmi malý proud, svodový proud, kvůli vysokému odporu uzavřené zenerovy diody.

Ale když dojde k poruše, proud okamžitě vzroste, protože rozdílový odpor zenera je v tomto bodě od zlomků po stovky ohmů. Tímto způsobem je napětí na zenerově diodě udržováno velmi přesně v relativně širokém rozsahu zpětných proudů.

Zenerova dioda se nazývá Zenerova dioda (z anglického Zenerova dioda) na počest vědce, který jako první objevil fenomén proražení tunelu, amerického fyzika Clarence Melvina Zenera (1905 — 1993).

Elektrický průraz pn přechodu, objevený Zenerem, související s tunelovacím efektem, fenoménem úniku elektronů přes tenkou potenciálovou bariéru, se nyní nazývá zenerův jev, který dnes slouží v polovodičových Zenerových diodách.

Fyzický obraz efektu je následující.Při zpětném předpětí p-n přechodu se energetické pásy překrývají a elektrony se mohou přesunout z valenčního pásma p-oblasti do vodivostního pásma n-oblasti, v důsledku elektrické pole, to zvyšuje počet volných nosičů náboje a zpětný proud se prudce zvyšuje.

Hlavním účelem zenerovy diody je tedy stabilizace napětí. Průmysl vyrábí polovodičové zenerovy diody se stabilizačním napětím od 1,8 V do 400 V, vysokým, středním a nízkým výkonem, které se liší maximálním povoleným zpětným proudem.

Na tomto základě jsou vyrobeny jednoduché stabilizátory napětí. Ve schématech jsou zenerovy diody označeny symbolem podobným symbolu diody, pouze s tím rozdílem, že katoda zenerových diod je znázorněna ve tvaru písmene «G».

Zenerovy diody s latentní integrovanou strukturou se stabilizačním napětím asi 7 V jsou nejpřesnějšími a nejstabilnějšími polovodičovými referenčními zdroji napětí: jejich nejlepší příklady jsou charakteristicky blízké normálnímu galvanickému článku Weston (referenční galvanický článek rtuť a kadmium) .

Vysokonapěťové lavinové diody ("TVS-diody" a "supresory"), které jsou široce používány v obvodech přepěťové ochrany všech druhů zařízení, patří ke speciálnímu typu zenerových diod.

Jak je vidět, zenerova dioda na rozdíl od konvenční diody pracuje na reverzní větvi I — V charakteristiky. U obyčejné diody, pokud je na ni aplikováno reverzní napětí, může dojít k poruše jedním ze tří způsobů (nebo všemi najednou): průraz tunelu, průraz laviny a průraz v důsledku tepelného ohřevu svodovými proudy.

Tepelný průraz křemíkových zenerových diod není důležitý, protože jsou navrženy tak, aby buď průraz tunelu, průraz laviny nebo oba typy průrazu nastaly současně dlouho před trendem tepelného průrazu. Sériové zenerovy diody jsou v současnosti vyráběny převážně z křemíku.

Průraz při napětí pod 5 V je projevem Zenerova jevu, průraz nad 5 V je projevem lavinového průrazu. Střední průrazné napětí asi 5 V je obvykle výsledkem kombinace těchto dvou efektů. Síla elektrického pole v okamžiku průrazu zenerovy diody je asi 30 MV/m.

K průrazu Zenerovy diody dochází u mírně dotovaných polovodičů typu p a silně dotovaných polovodičů typu n. S rostoucí teplotou přechodu se odizolování zenerovy diody snižuje a příspěvek k lavinovému průrazu se zvyšuje.

Zenerovy diody mají následující typické vlastnosti. Vz — stabilizační napětí. V dokumentaci jsou pro tento parametr uvedeny dvě hodnoty: maximální a minimální stabilizační napětí. Iz je minimální stabilizační proud. Zz je odpor zenerovy diody. Izk a Zzk — proud a dynamický odpor při stejnosměrném proudu. Ir a Vr jsou maximální svodový proud a napětí při dané teplotě. Tc je teplotní koeficient. Izrm — maximální stabilizační proud zenerovy diody.

Zenerovy diody jsou široce používány jako nezávislé stabilizační prvky a také jako zdroje referenčních napětí (referenčních napětí) v tranzistorových stabilizátorech.

Pro získání malých referenčních napětí se zenerovy diody zapínají také v propustném směru, jako běžné diody, pak bude stabilizační napětí jedné zenerovy diody 0,7 — 0,8 voltu.

Maximální výkon rozptýlený tělem zenerovy diody je typicky v rozsahu 0,125 až 1 watt. To zpravidla stačí pro normální provoz ochranných obvodů proti impulsnímu šumu a pro konstrukci stabilizátorů s nízkým výkonem.