Nguyên lý hoạt động của diode zener
Đi-ốt Zener hay đi-ốt zener (bán dẫn zener diode) là một đi-ốt đặc biệt hoạt động ở chế độ đánh thủng ổn định trong điều kiện phân cực ngược của tiếp giáp pn. Cho đến khi sự cố này xảy ra, chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua điốt zener, dòng rò, do điện trở cao của điốt zener kín.
Nhưng khi xảy ra lỗi, dòng điện ngay lập tức tăng lên do điện trở vi sai của zener tại thời điểm này từ phân số đến hàng trăm ôm. Theo cách này, điện áp trên diode zener được duy trì rất chính xác trong một phạm vi dòng điện ngược tương đối rộng.
Đi-ốt Zener được gọi là đi-ốt Zener (từ tiếng Anh là đi-ốt Zener) để vinh danh nhà khoa học đầu tiên phát hiện ra hiện tượng phá vỡ đường hầm, nhà vật lý người Mỹ Clarence Melvin Zener (1905 - 1993).
Sự đánh thủng điện của tiếp giáp pn, được phát hiện bởi Zener, liên quan đến hiệu ứng đường hầm, hiện tượng rò rỉ điện tử qua một rào thế mỏng, hiện được gọi là hiệu ứng zener, ngày nay dùng trong điốt Zener bán dẫn.
Hình ảnh vật lý của hiệu ứng như sau.Trong sự phân cực ngược của tiếp giáp p-n, các dải năng lượng chồng lên nhau và các electron có thể di chuyển từ dải hóa trị của vùng p sang dải dẫn của vùng n, do điện trường, điều này làm tăng số hạt tải điện tự do và dòng điện ngược tăng mạnh.
Như vậy, mục đích chính của diode zener là ổn định điện áp. Ngành công nghiệp sản xuất điốt zener bán dẫn với điện áp ổn định từ 1,8 V đến 400 V, công suất cao, trung bình và thấp, khác nhau về dòng điện ngược tối đa cho phép.
Ổn áp đơn giản được thực hiện trên cơ sở này. Trong các sơ đồ, điốt zener được biểu thị bằng một ký hiệu tương tự như ký hiệu điốt, với điểm khác biệt duy nhất là cực âm của điốt zener được mô tả dưới dạng chữ «G».
Điốt Zener với cấu trúc tích hợp tiềm ẩn, với điện áp ổn định khoảng 7 V, là nguồn tham chiếu điện áp trạng thái rắn chính xác và ổn định nhất: các ví dụ tốt nhất của chúng có đặc điểm gần giống với tế bào điện Weston thông thường (tế bào điện tham chiếu cadmium thủy ngân) .
Điốt tuyết lở điện áp cao ("điốt TVS" và "bộ triệt"), được sử dụng rộng rãi trong các mạch chống sét lan truyền của tất cả các loại thiết bị, thuộc về một loại điốt zener đặc biệt.
Như bạn có thể thấy, diode zener, không giống như diode thông thường, hoạt động trên nhánh ngược của đặc tính I - V. Trong một đi-ốt thông thường, nếu đặt một điện áp ngược lên nó, sự cố có thể xảy ra theo một trong ba cách (hoặc tất cả cùng một lúc): sự cố đường hầm, sự cố tuyết lở và sự cố do đốt nóng nhiệt từ dòng điện rò rỉ.
Sự cố nhiệt của điốt silicon zener không quan trọng vì chúng được thiết kế sao cho sự cố đường hầm, sự cố tuyết lở hoặc cả hai loại sự cố xảy ra đồng thời rất lâu trước xu hướng sự cố nhiệt. Dòng điốt zener hiện được làm chủ yếu bằng silicon.
Sự cố ở điện áp dưới 5 V là biểu hiện của hiệu ứng Zener, sự cố trên 5 V là biểu hiện của sự cố tuyết lở. Điện áp đánh thủng trung gian khoảng 5 V thường là kết quả của sự kết hợp của hai hiệu ứng này. Cường độ điện trường tại thời điểm đánh thủng diode zener là khoảng 30 MV / m.
Sự cố đi-ốt Zener xảy ra trong chất bán dẫn loại p pha tạp vừa phải và chất bán dẫn loại n pha tạp nhiều. Khi nhiệt độ đường giao nhau tăng lên, độ đứt đi-ốt zener giảm và phần đóng góp đánh thủng đi-ốt zener tăng lên.
Điốt Zener có các đặc điểm điển hình sau. Vz - điện áp ổn định. Tài liệu chỉ định hai giá trị cho tham số này: điện áp ổn định tối đa và tối thiểu. Iz là dòng ổn định nhỏ nhất. Zz là điện trở của diode zener. Izk và Zzk — điện trở dòng điện và động ở dòng điện một chiều. Ir và Vr là dòng điện và điện áp rò rỉ tối đa ở một nhiệt độ nhất định. Tc là hệ số nhiệt độ. Izrm - dòng ổn định tối đa của diode zener.
Điốt Zener được sử dụng rộng rãi làm phần tử ổn định độc lập, cũng như nguồn điện áp tham chiếu (điện áp tham chiếu) trong bộ ổn định bóng bán dẫn.
Để có được điện áp tham chiếu nhỏ, điốt zener cũng được bật theo chiều thuận, giống như điốt thông thường, khi đó điện áp ổn định của một điốt zener sẽ là 0,7 - 0,8 vôn.
Công suất tiêu tán tối đa trên thân đi-ốt zener thường nằm trong khoảng 0,125 đến 1 watt. Điều này, như một quy luật, là đủ cho hoạt động bình thường của các mạch bảo vệ chống nhiễu xung và cho việc xây dựng các bộ ổn định công suất thấp.