Un diodo Zener es un tipo especial de diodo diseñado para permitir de manera confiable que la corriente fluya "hacia atrás" ( polaridad invertida) cuando se alcanza un cierto voltaje inverso establecido , conocido como voltaje Zener .
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 abrupta y fuertemente dopada con un voltaje Zener bajo, en cuyo caso se produce la conducción inversa debido al túnel cuántico de electrones en la corta distancia entre las regiones p y n; esto se conoce como efecto Zener , en honor a Clarence Zener . Los diodos con un voltaje Zener más alto tienen uniones dopadas más ligeras, lo que hace que su modo de operación implique una ruptura por avalancha . Ambos tipos de ruptura están presentes en los diodos Zener, predominando el efecto Zener en voltajes más bajos y la ruptura por avalancha en voltajes más altos.
Se utilizan para generar rieles de suministro 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 .
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 degradación de las propiedades de los aislantes eléctricos. Posteriormente, su trabajo llevó a los Laboratorios Bell a implementar el efecto en forma de un dispositivo electrónico, el diodo Zener. [1]
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 conducirá una corriente alta debido a la ruptura por avalancha. A menos que esta corriente esté limitada por circuitos externos, el diodo puede dañarse permanentemente debido al sobrecalentamiento. Un diodo Zener presenta casi las mismas propiedades, excepto que el dispositivo está especialmente diseñado para tener un voltaje de ruptura reducido, el llamado voltaje Zener. En contraste con el 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 presenta una caída de voltaje de casi 3,2 V en una amplia gama de corrientes inversas. Por lo tanto, el diodo Zener es muy adecuado para aplicaciones como la generación de una tensión de referencia (p. ej. para una etapa amplificadora ) o como estabilizador de tensión 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 están construidos de manera similar 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 domina el efecto de avalancha 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 tensión que necesitan ser muy estables durante largos períodos de tiempo, es utilizar un diodo Zener con un coeficiente de temperatura (TC) de +2 mV/°C (tensión de ruptura 6,2–6,3 V) conectado en serie con un diodo de silicio con polarización directa (o una unión BE de transistor) fabricado en el mismo chip. [4] El diodo con polarización directa tiene un coeficiente de temperatura de −2 mV/°C, lo que hace que los TC se cancelen para un coeficiente de temperatura neto casi cero.
También vale la pena señalar que el coeficiente de temperatura de un diodo Zener de 4,7 V es cercano al de la unión emisor-base de un transistor de silicio en aproximadamente -2 mV/°C, por lo que en un circuito de regulación simple donde se establece el diodo de 4,7 V Con el voltaje en la base de un transistor NPN (es decir, sus coeficientes actúan en paralelo), el emisor estará alrededor de 4 V y será bastante estable con la temperatura.
Los diseños modernos han producido dispositivos con voltajes inferiores a 5,6 V con coeficientes de temperatura insignificantes, [ cita necesaria ] . Los dispositivos de mayor voltaje tienen un coeficiente de temperatura que es aproximadamente proporcional a la cantidad en la que el voltaje de ruptura excede los 5 V. Por lo tanto, un diodo de 75 V tiene 10 veces el coeficiente de un diodo de 12 V. [ cita necesaria ]
Los diodos Zener y de avalancha, independientemente del voltaje de ruptura, generalmente se comercializan bajo el término general de "diodo Zener".
Bajo 5,6 V, donde domina el efecto Zener, la curva IV cerca de la ruptura es mucho más redondeada, lo que exige más cuidado al elegir sus condiciones de polarización. La curva IV para Zeners por encima de 5,6 V (donde predominan las avalanchas) es mucho más precisa en el momento de la avería.
El funcionamiento del diodo Zener depende del fuerte dopaje de su unión p-n . La región de agotamiento formada en el diodo es muy delgada (<1 µm) y, en consecuencia, el campo eléctrico es muy alto (alrededor de 500 kV/m) incluso para un pequeño voltaje de polarización inversa de aproximadamente 5 V, lo que permite que los electrones hagan un túnel desde la banda de valencia. del material tipo p a la banda de conducción del material tipo n.
A escala atómica, este túnel corresponde al transporte de electrones de la banda de valencia hacia los estados vacíos de la banda de conducción; 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 mediante el proceso de dopaje. La adición de impurezas o dopaje cambia el comportamiento del material semiconductor en el diodo. En el caso de los diodos Zener, este fuerte dopaje crea una situación en la que el diodo puede funcionar en la zona de ruptura. Si bien se encuentran disponibles tolerancias dentro del 0,07%, las tolerancias comúnmente disponibles son del 5% y el 10%. El voltaje de ruptura para los diodos Zener comúnmente disponibles puede variar de 1,2 V a 200 V.
Para los diodos 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]
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 una variación del voltaje Zener de hasta ±1 V, los procesos más nuevos que utilizan 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 cátodo y región base como ánodo. En este enfoque, el perfil de dopaje base normalmente se estrecha hacia la superficie, creando una región con un campo eléctrico intensificado donde se produce la ruptura de la avalancha. Los portadores calientes producidos por la aceleración en el campo intenso pueden inyectarse en la capa de óxido sobre la unión y quedar atrapados allí. La acumulación de cargas atrapadas puede provocar una "paro Zener", un cambio correspondiente en el voltaje Zener de la unión. El mismo efecto se puede lograr mediante daños por radiación .
Los diodos Zener de base emisora solo pueden manejar corrientes bajas ya que la energía se disipa en la región de agotamiento de la base, que es muy pequeña. Cantidades mayores de energía disipada (corriente más alta durante más tiempo o un pico de corriente corto y muy alto) causan daños térmicos 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 la metalización a través de la unión ("picos") se puede utilizar intencionalmente como antifusible 'Zener zap' . [6]
Un diodo Zener subterráneo, también llamado "Zener enterrado", es un dispositivo similar al Zener de superficie, pero el dopaje y el diseño son tales que la región de avalancha se ubica más profundamente en la estructura, generalmente varios micrómetros por debajo del óxido. Los portadores calientes pierden entonces energía al chocar con la red del semiconductor antes de llegar a la capa de óxido y no pueden quedar atrapados allí. Por lo tanto, aquí no se produce el fenómeno de parada Zener y los Zener enterrados tienen un voltaje estable durante toda su vida. La mayoría de los Zeners enterrados tienen un voltaje de ruptura de 5 a 7 voltios. Se utilizan varias estructuras de unión diferentes. [7]
Los diodos Zener se utilizan ampliamente como referencias de voltaje y como reguladores en 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 (con + en la parte superior), se regula hasta un voltaje de salida estable U out . El voltaje de ruptura del diodo D es estable en un amplio rango de corriente y mantiene a U aproximadamente constante aunque el voltaje de entrada pueda fluctuar en un amplio rango. Debido a la baja impedancia del diodo cuando se opera de esta manera, se usa la resistencia R para limitar la corriente a través del circuito.
En el caso de esta simple referencia, la corriente que fluye en el diodo se determina utilizando la ley de Ohm y la caída de voltaje conocida a través de la resistencia R ;
El valor de R debe cumplir dos condiciones:
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 balastro sea lo suficientemente pequeña para evitar una caída excesiva de voltaje durante el peor de los casos (voltaje de entrada bajo concurrente con corriente de carga alta) tiende a dejar una gran cantidad de 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 sólo para cargas más pequeñas.
Estos dispositivos también se encuentran, normalmente en serie con una unión base-emisor, en etapas de transistores donde se puede utilizar la elección selectiva de un dispositivo centrado en la avalancha o el punto Zener para introducir un equilibrio compensador del coeficiente 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 bucle de retroalimentación de un circuito de alimentación regulado .
Los diodos Zener también se utilizan en protectores contra sobretensiones para limitar los picos de tensión transitorios.
Otra aplicación del diodo Zener es utilizar su ruido de ruptura de avalancha (ver generador de ruido § Diodo Zener ), que, por ejemplo, se puede usar para difuminar en un convertidor analógico a digital cuando está en un nivel rms equivalente a 1 ⁄ 3 a 1 lbs [10] o para crear un generador de números aleatorios .
Dos diodos Zener uno frente al otro en serie recortan ambas mitades de una señal de entrada. Los cortapelos de forma de onda se pueden utilizar no solo para remodelar una señal, sino también para evitar que los picos de voltaje afecten a los circuitos conectados a la fuente de alimentación. [11]
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 igual al voltaje de ruptura del diodo Zener.
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 .
