Zenerdiode

Zenerdiode er ein diode som utnyttar tunneleffekta og/eller skredeffekta for å oppnå ei veldefinert terskelspenning i reversretning. Ein vanleg diode vil òg leia straum i reversretninga om spenninga er stor nok, men kor stor spenninga i reversretninga må vera før han tek til å leia er ikkje så godt definert. Zenerdioder derimot har ei veldefinert terskelspenning, òg kalla knespenninga, eller zenerspenning ^[1], der dioden tek til å leia. I framoverretninga leiar ein zenerdiode som ein vanleg diode når spenninga overtig om lag 0,65 V. Zenerdiodar vert produserte med fleire ulike knespenningar og med mange forskjellige makseffekter.

Fig. 1 Skjematisk symbol for zenerdioden.

Fig. 2 Andre zener-symbol.

Verkemåte

Zenerdiodar leier ikkje straum når reversspenninga ligg under terskelspenninga, med unnatak av ein svært liten reversstraum ${\displaystyle I_{S}}$ på grunna av termisk eksitasjon (som tilfører nokre få elektron nok energi til at det går frå valensskalet til leiarskitet). Zenerdiodar med høg og låg knespenning funger på på to ulike måtar^[2]. Diodar emd høge knespenningar fungerer ved den sokalla skredeffkta, medan diodar med små knespenningar fungerer ved tunneleffekta.

Skredeffekta

Når det ligg ei reversspenning over pn-overganen oppstår det eit sperreskikt (ein deplesjonsregion) mellom p- og n-materialar. Når det elektriske feltet ${\displaystyle E}$ aksellererer eit elektron mot p-regionen får elektronet ein kinetisk energi ${\displaystyle E_{kin}=-qEx}$, der ${\displaystyle q}$ er elementærladninga og ${\displaystyle x}$ er distansen elektronet flyttar seg. Når elektronet fer gjennom deplesjonsregionen er det stort sannsyn for at det vil verta spreidd av eit fonon (vibrerande atom i krystallgitteret) eller eit framandatom (forureining)^[2]. I denne prosessen kan elektronet avgi den kinetiske energien sin til krystallet. Om det elektriske feltet er sterkt nok til at elektronet har stor nok kinetisk energi til at det bryt det kovalente bindinga, slik at elektronet går frå valens- til leiarbandet, fører kollisjonen til at det vert danna to nye elektron-hol-par. Dei to nye elektrona vert så aksellerte i det elektriske feltet og når dei kolliderer med eit atom i krystallet vert det danna fire nye elektron-holpar, som i sin tur dannar 8 nye par, etc.

På grunn av at den gjennomsnittlege avstanden mellom kvar kollisjon ${\displaystyle \ell _{sc}}$ er mykje mindre enn breidda på deplesjonsregionen held denne prosesse fram. Så når det elektriske feltet er kraftig nok til at den kinetiske enegien ${\displaystyle E_{kin}=-qE\ell _{sc}}$ som vert tilført elektrona mellom kvar kollisjon er større enn terskelspenninga som skal til for å bryta dei kovalente bindingane oppstår det ei skredeffekt som fører til at eit åveleg stort antall frie ladningsbærarar oppstår i deplesjonsregionen^[2]. Når revesspenninga ${\displaystyle U_{R}}$ over dioden er stor nok til at ${\displaystyle E_{kin}}$ overstig bandgapenergien ${\displaystyle E_{g}}$ aukar difor straumen kraftig og lyt begrensast av ein ekstern seriemotstand for at dioden ikkje skal verta øydelagt.

Skredeffekten vert ikkje sett i gang før feltstyrken er rundt ${\displaystyle 10^{7}}$ V/m. Spenninga som skal til for å oppnå denne feltstyrken er avhengig av kor kraftig dopa materialet er. Til kraftigare dopinga er til tynnare vert sperreskiktet, slik at det elektriske feltet aukar, som i sin tur fører til at terskelspenninga ${\displaystyle U_{Z}}$ vert mindre. Ved å variera dopingsgraden kan ein variera knespenningar frå ca. 6 V til nokre kV.

Når temperaturen aukar til over romtemperatur minkar den gjennomsnittlege avstanden ${\displaystyle \ell _{sc}}$ mellom kollisjonane (spreiedistansen). Dette fører til at den elekriske feltstyrken ${\displaystyle E}$ lyt vera større for at den kinetiske energien ${\displaystyle E_{kin}=-qE\ell _{sc}}$ skal overstiga terskelverdien. Aukande temperatur fører med andre ord til at terskelspenninga ${\displaystyle U_{Z}}$ aukar, så temperaturkoeffisienten er positiv.

Tunneleffekta

Fig. 3 Energibanddiagram for ein diode med reversbias. Den vertikale aksen syner energien til eit elektron, medan den hosisontale aksen syner posisjonen.

Fig. 4 Steileita til I-U-kurva er mindre for låge enn for høge terskelspenningar.

For å forstå korleis ein zenerdiode for spenningar under 6 V fungerer lyt vi sjå på tunneleffekta. Fig. 3 illustrerer bundne elektronar (i valensbandet) i p-regionen i ein zenerdiode. Energigapet ${\displaystyle E_{g}}$ i deplesonsregionen separerer valens-elektronane i p-materialet frå n-materialet i dioden. Men på grunn av reversspenninga vil breidda på deplesjonsregionen verta redusert så mykje at halen til bølgefunksjonenen til elektronet strekkjer seg litt inn i n-materialet. Det er difor eit visst sannsyn for at valenselektronar frå p-materialet dukkar opp på n-sida av deplesjonsregionen, som illustrert til høgre i fig. 3. Det er dette fenomenet som vert kalla tunneleffekta. Sannsynet for at eit elektron dukkar opp på andre sida av deplesjonsregionen vert kalla tunnelsannsynet og den resulterande straumen vert kalla tunnelstraumen. Dette er den eigenlege zenereffekta, som berre oppstår ved ein dopingsgrad på rundt ${\displaystyle 10^{24}}$ framandatomar per kubikkmeter^[3]. For at ein tunnelstraum skal oppstå lyt det elektriske feltet nå opp i om lag ${\displaystyle 10^{8}}$ V/m^[3].

Når reversspenninga aukar vert breidda på deplesjonsregionen redusert, slik at tunnelsannsynet aukar. Tunnelsannsynet, og difor tunnelsatraumen, varierer eksponensielt med reversspenninga. Når dopingsgraden aukar vert breidda på deplesjonsregionen mindre, så terskelverdien kan reduserast ved å auka dopingsgraden.

Overgangsområdet

For zenerdiodar med knespenningar over 8 V er dopingsgraden så liten at det er skredeffekta som er aktiv. For knespenningar under 5 V er det zenereffekta som er aktiv. I diodar med knespenningar mellom 5 og 8 V er begge effektane delvis aktive. Under 5,6 V dominerer zenereffekta og over 5,6 V dominerer skredeffekta^[3]. Men begge typane vert kalla zenerdiodar, etter Clarence Zener, som forska på nedbrytinga av elektriske isolatorar, eit arbeid som danna grunnlaget for utviklinga zenerdioden. Som illustrert i fig. 4 er steileita til straum-spennings-karakteristikken er ikkje like stor for terskelspenningar under 6 V, der tunneleffekta dominerer, som i området over 6 V, der skredeffkta dominerer.

Karakteristikk

Fig. 5 Karakteristikken til ein zenerdiode.

Zenerdiodar har ikkje heilt ideell straum-spennings-karakteristikk, men spenninga (zener-spenninga) varierer litt med straumen ${\displaystyle I_{Z}}$. Stigningskoeffisienten ${\displaystyle \Delta U_{Z}/\Delta I_{Z}}$ er difor ikkje uendeleg stor. Zenerspenninga ${\displaystyle U_{Z}}$ som er oppgjeven i databladet er spenninga målt ved ein teststraum som ligg om lag midt mellom den minste ${\displaystyle I_{Zmin}}$ og den største verdien ${\displaystyle I_{Zmax}}$ til straumen ${\displaystyle I_{Z}}$. Denne spenninga vert kalla den nominelle zenerspenninga. Når zenerstraumen er mindre enn teststraumen er spenniga litt mindre enn den nominelle verdien ${\displaystyle U_{Z}}$, og når han er større er spenninga litt større enn den nominelle verdien, som illustrert i fig. 5. Straumen gjennom dioden må overstiga ${\displaystyle I_{Zmin}}$ for at han skal halda spenninga stabil. Men om han er større enn ${\displaystyle I_{Zmax}}$ vert dioden øydelagt. Ein lyt difor syta for å avgrensa strumen gjennom dioden, som oftast med ein seriemotstand.

Stigningskoeffisienten vert av og til kalla dynamisk impedans

${\displaystyle Z_{Z}={\frac {\Delta U_{Z}}{\Delta I_{Z}}}.}$

Ein ynskjer at ${\displaystyle Z_{Z}}$ skal vera minst mogleg, slik at spenninga over dioden er så konstant som mogleg. Zenerdiodar meh høge knespenningar (over 6 V), som er baserte på tunneleffekten, har større dynamisk impedans enn diodar med låge knespenningar (under 6 V), som er baserte på tunneleffekten.

Temperaturkoeffisienten

Fig. 6 Temperaturkoeffisienten til zener spenninga som funksjon av nominell zenerspenning.

Zenerspenninga varierer litt med temperaturen. Variasjonen vert uttrykt som^[2]

${\displaystyle \Delta U_{Z}=U_{Z}T_{C}\Delta T,}$

der ${\displaystyle U_{Z}}$ er den nominelle zenerspenninga ved 25 °C, ${\displaystyle \Delta _{T}}$ er temperaturavviket frå 25 °C og ${\displaystyle T_{C}}$ er temperaturkoeffisienten, som i datablad ofte er oppgjeven i %/°C.

For zenerspenningar over 5,6 V er temperaturkoeffisienten positiv, medan han for zenerspenningar under 5,6 V er negativ. Ved 5,6 V er han null, så zenerdiodar med ${\displaystyle U_{Z}=5,6}$ V vert av og til nytta som spenningsreferansar.

Effektreduksjon

Absorbert effekt i ein zenerdiode ${\displaystyle P_{D}=U_{Z}I_{Z}}$ og datablada gir som oftast opp ${\displaystyle P_{Dmax}}$ ved 25 °C. For høgare temperaturar lyt ein redusera ${\displaystyle P_{D}}$ til

${\displaystyle P_{D}=P_{Dmax}-D_{f}\Delta T,}$

der ${\displaystyle P_{Dmax}}$ er maks tillaten abserbert effekt ved ein nominal temperatur, som i datablada kan vera oppgjeven til 25 °C, 100 °C, etc. ${\displaystyle \Delta _{T}}$ er temperaturauken (i °C) og ${\displaystyle D_{f}}$ er ein effektreduksjonsfaktor, kalla derating factor i datablada, med eining mW/°C.

Innkapsling

Zenerdiodar vert produserte med ${\displaystyle P_{Dmax}}$ frå 100 mW til 50 W, så innkapslingane varierer mykje. Småsignal zenerdiodar har kapslingar for holmontering eller overflatemontering. Diodar for stor effekt kan òg vera hol- eller overflatemonterte, men dei kraftigaste typane vert monterte i kjøleribber.

• 
  1N829, ${\displaystyle U_{Z}=6,15}$ V, ${\displaystyle U_{Z}=7,5}$ mA, ${\displaystyle P_{Dmax}=500}$ mW, for hulmontering.
• 
  SZX 21, ${\displaystyle U_{Z}=6,15}$ V, ${\displaystyle U_{Z}=7,5}$ mA, ${\displaystyle P_{Dmax}=500}$ mW, for hulmontering.
• 
  Typisk innkapsling for holmontering.
• 
  20DZ12, ${\displaystyle U_{Z}=12}$ V, ${\displaystyle U_{Z}=1,5}$ A, ${\displaystyle P_{Dmax}=20}$ W, for montering i kjøleribbe.

Bruksområde

Zenerdiodar vert nytta for å laga enkle spenningsregulatorar, kalla zenerregulatorar. Eit anna bruksområde er for å generera referansespenningar. Ein nyttar då zenerdiodar med knespenning rundt 5,6 V, av di desse har ein temperaturkoeffisient på null. Zenerdiodar er òg svært nyttige som beskyttelsesdiodar for følsam elektronikk. Ein vel då ei knespenning som ligg litt over maksverdien til arbeidsspenninga til kretsen ein ynskjer å beskytta, slik at zenerdioden slepp gjennom spenningstoppar som ellers kunne ført til skade på elektronikken. Ein finn dei òg i tilbakekoplingsnettverket til operasjonsforsterkarar når desse vert nytta som kurvegeneratorar.