معرفی دیود زنر و ساختار و اصول کاری آن - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: 

نام دیود زنر به افتخار فیزیکدان آمریکایی کلارنس ملوین زنر که اثر زنر را کشف کرد، نامگذاری شد.

کلارنس ملوین زنر اولین کسی بود که خواص الکتریکی دیود زنر را توصیف کرد. کلارنس زنر یک فیزیکدان نظری بود که در آزمایشگاه بل کار می‌کرد. در نتیجه کار او، دیود زنر به نام او نامگذاری شد. او برای اولین بار در مقاله‌ای که در سال ۱۹۳۴ منتشر شد، تأثیر شکست را که نام خود را نشان می‌دهد، فرض کرد.

دیود‌های زنر بلوک‌های ساختمانی اصلی مدار‌های الکترونیکی هستند. آن‌ها به طور گسترده در انواع تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شوند. دیود‌های زنر عمدتاً برای محافظت از مدار‌های الکترونیکی از اضافه ولتاژ استفاده می‌شوند.

یک دیود معمولی اتصال p-n به جریان الکتریکی فقط در شرایط بایاس مستقیم اجازه عبور می‌دهد. هنگامی که ولتاژ بایاس مستقیم به دیود اتصال p-n اعمال می‌شود، مقدار زیادی جریان الکتریکی را مجاز می‌کند و تنها مقدار کمی از جریان الکتریکی را مسدود می‌کند. از این رو، یک دیود اتصال p-n بایاس رو به جلو تنها مقاومت کمی در برابر جریان الکتریکی ارائه می‌دهد.

هنگامی که ولتاژ بایاس معکوس به دیود اتصال p-n اعمال می‌شود، مقدار زیادی از جریان الکتریکی را مسدود می‌کند و فقط مقدار کمی جریان الکتریکی را مجاز می‌کند. از این رو، یک دیود اتصال p-n با بایاس معکوس مقاومت زیادی در برابر جریان الکتریکی ارائه می‌دهد.
اگر ولتاژ بایاس معکوس اعمال شده به دیود اتصال p-n به شدت افزایش یابد، افزایش ناگهانی جریان رخ می‌دهد. در این مرحله، افزایش اندک ولتاژ، جریان الکتریکی را به سرعت افزایش می‌دهد. این افزایش ناگهانی جریان الکتریکی باعث شکست پیوند به نام زنر یا شکست بهمنی می‌شود. ولتاژی که در آن شکست زنر رخ می‌دهد ولتاژ زنر و افزایش ناگهانی جریان را جریان زنر می‌نامند.

نرخ توان (P_ZM) دیود زنر

حداکثر توانی که دیود زنر می‌تواند بدون هیچ آسیبی از بین ببرد، به عنوان نرخ توان آن شناخته می‌شود. دیود‌های زنر که به صورت تجاری در دسترس هستند دارای توانی از ¼ وات تا بیش از ۵۰ وات هستند. نرخ توان حاصلضرب حداکثر جریان I_ZM است که دیود زنر می‌تواند از عهده آن برآید و ولتاژ نامی یا کاری یک دیود زنر (V_Z).

بنابراین:

حداکثر نرخ جریان (I_ZM)

حداکثر مقدار جریانی که یک دیود زنر می‌تواند در ولتاژ نامی خود بدون آسیب تحمل کند، به عنوان حداکثر میزان جریان شناخته می‌شود.

مقاومت زنر (R_ZT)

مخالفت ارائه شده به جریان عبوری از دیود زنر در منطقه عملیاتی به عنوان مقاومت زنر (R_Z) یا امپدانس زنر (Z_Z) شناخته می‌شود.

هنگامی که یک دیود زنر در ناحیه شکست کار می‌کند، افزایش جریان باعث افزایش جزئی در ولتاژ می‌شود. این نشان می‌دهد که یک دیود زنر دارای مقاومت AC کوچکی به نام مقاومت زنر است.

یک دیود معمولی اتصال p-n در ناحیه شکست کار نمی‌کند، زیرا جریان اضافی به طور دائم به دیود آسیب می‌زند. دیود‌های معمولی اتصال p-n برای عملکرد در ناحیه شکست معکوس طراحی نشده اند. بنابراین، یک دیود معمولی اتصال p-n در ناحیه شکست معکوس عمل نمی‌کند.

دیود زنر چیست؟

دیود زنر نوع خاصی از دستگاه است که برای کار در منطقه شکست زنر طراحی شده است. دیود‌های زنر مانند دیود‌های پیوند p-n معمولی تحت شرایط بایاس ارسال عمل می‌کنند. هنگامی که ولتاژ بایاس مستقیم به دیود زنر اعمال می‌شود، مقدار زیادی جریان الکتریکی را مجاز می‌کند و فقط مقدار کمی از جریان الکتریکی را مسدود می‌کند.

دیود زنر به شدت از دیود پیوند p-n معمولی تخدیر (دوپ) شده است. از این رو، دارای یک منطقه تخلیه بسیار نازک است. بنابراین، دیود‌های زنر جریان الکتریکی بیشتری نسبت به دیود‌های معمولی اتصال p-n می‌دهند.

دیود زنر مانند یک دیود معمولی به جریان الکتریکی اجازه می‌دهد تا در جهت پیشروی باشد، اما در صورتی که ولتاژ معکوس اعمال شده بیشتر از ولتاژ زنر باشد، جریان الکتریکی را در جهت معکوس می‌دهد. دیود زنر همیشه در جهت معکوس متصل می‌شود، زیرا به طور خاص برای کار در جهت معکوس طراحی شده است.

تعریف دیود زنر

دیود زنر یک دستگاه نیمه هادی اتصال p-n است که برای عملکرد در ناحیه شکست معکوس طراحی شده است. ولتاژ شکست دیود زنر با کنترل سطح دوپینگ(تخدیر شدن) در طول ساخت به دقت تنظیم می‌شود.

شکست در دیود زنر

دو نوع ناحیه شکست معکوس در دیود زنر وجود دارد: شکست بهمنی و شکست زنر.

شکست بهمنی

شکست بهمنی هم در دیود‌های معمولی و هم در دیود‌های زنر در ولتاژ معکوس بالا رخ می‌دهد. هنگامی که یک ولتاژ معکوس بالا به دیود پیوند p-n اعمال می‌شود، الکترون‌های آزاد (حامل اقلیت) مقدار زیادی انرژی می‌گیرند و به سرعت‌های بیشتری شتاب می‌گیرند.

الکترون‌های آزاد که با سرعت زیاد حرکت می‌کنند با اتم‌ها برخورد کرده و الکترون‌های بیشتری را از بین می‌برند. این الکترون‌ها دوباره شتاب گرفته و با اتم‌های دیگر برخورد می‌کنند. به دلیل این برخورد مداوم با اتم ها، تعداد زیادی الکترون آزاد تولید می‌شود. در نتیجه جریان الکتریکی در دیود به سرعت افزایش می‌یابد. این افزایش ناگهانی جریان الکتریکی ممکن است دیود معمولی را برای همیشه از بین ببرد. با این حال، دیود‌های بهمن ممکن است تخریب نشوند، زیرا به دقت طراحی شده اند تا در منطقه شکست بهمن کار کنند. خرابی بهمن در دیود‌های زنر با ولتاژ زنر (V_z) بیشتر از ۶ ولت رخ می‌دهد.

شکست زنر

شکست زنر در دیود‌های اتصال p-n به شدت دوپ شده به دلیل ناحیه تخلیه باریک آن‌ها رخ می‌دهد. هنگامی که ولتاژ بایاس معکوس اعمال شده به دیود افزایش می‌یابد، ناحیه تخلیه باریک یک میدان الکتریکی قوی ایجاد می‌کند.

هنگامی که ولتاژ بایاس معکوس اعمال شده به دیود به ولتاژ زنر نزدیک می‌شود، میدان الکتریکی در ناحیه تخلیه به اندازه کافی قوی است تا الکترون‌ها را از باند ظرفیت خود بکشد. الکترون‌های ظرفیتی که انرژی کافی از میدان الکتریکی قوی ناحیه تخلیه به دست می‌آورند، پیوند با اتم مادر را می‌شکنند. الکترون‌های والانسی که پیوند با اتم مادر را قطع می‌کنند به الکترون‌های آزاد تبدیل می‌شوند. این الکترون‌های آزاد جریان الکتریکی را از مکانی به مکان دیگر منتقل می‌کنند. در ناحیه شکست زنر، افزایش اندک ولتاژ به سرعت جریان الکتریکی را افزایش می‌دهد.

• شکست زنر در ولتاژ معکوس پایین رخ می‌دهد در حالی که خرابی بهمن در ولتاژ معکوس بالا رخ می‌دهد.
• شکست زنر در دیود‌های زنر اتفاق می‌افتد، زیرا دارای ناحیه تخلیه بسیار نازکی هستند.
• ناحیه شکست، ناحیه عملیاتی عادی برای دیود زنر است.
• شکست زنر در دیود‌های زنر با ولتاژ زنر (V_z) کمتر از ۶ ولت رخ می‌دهد.