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 muy dopada con un voltaje Zener bajo, en cuyo caso se produce la conducción inversa debido al efecto túnel cuántico de los electrones en la corta distancia entre las regiones p y n; esto se conoce como el 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 funcionamiento implique una ruptura por avalancha . Ambos tipos de ruptura están presentes en los diodos Zener, predominando el efecto Zener a voltajes más bajos y la ruptura por avalancha a voltajes más altos.
Se utilizan para generar líneas de alimentación estabilizadas de baja potencia a partir de una tensión más alta y para proporcionar tensiones de referencia para circuitos, especialmente fuentes de alimentación estabilizadas. También se utilizan para proteger circuitos de sobretensiones , especialmente descargas electrostáticas .
El dispositivo recibe su nombre del físico estadounidense Clarence Zener , quien describió por primera vez el efecto Zener en 1934 en sus estudios principalmente teóricos sobre la descomposición de las propiedades de los aislantes eléctricos. Más tarde, su trabajo condujo a la implementación del efecto en los Laboratorios Bell en forma de un dispositivo electrónico, el diodo Zener. [1]
Un diodo de estado sólido convencional permite un flujo de corriente significativo si está polarizado en forma 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 en las áreas pequeñas (localizadas) de la unión del semiconductor donde se produce la conducción de la ruptura por avalancha. Un diodo Zener exhibe casi las mismas propiedades, excepto que el dispositivo está especialmente diseñado para tener un voltaje de ruptura reducido, el llamado voltaje Zener. A diferencia del 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 exhibe una caída de voltaje de casi 3,2 V en un amplio rango de corrientes inversas. Por lo tanto, el diodo Zener es muy adecuado para aplicaciones como la generación de un voltaje de referencia (por ejemplo, para una etapa amplificadora ) o como estabilizador de voltaje para aplicaciones de baja corriente. [2]
Otro mecanismo que produce un efecto similar es el efecto avalancha, como en el diodo 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 los diodos de silicio hasta aproximadamente 5,6 voltios, el efecto Zener es el efecto predominante y muestra un coeficiente de temperatura negativo marcado . Por encima de 5,6 voltios, el efecto avalancha domina y exhibe un coeficiente de temperatura positivo. [3]
En un diodo de 5,6 V, los dos efectos se producen juntos y sus coeficientes de temperatura casi se cancelan entre sí, por lo que el diodo de 5,6 V es útil en aplicaciones críticas de temperatura. Una alternativa, que se utiliza para referencias de voltaje que deben ser altamente estables durante largos períodos de tiempo, es utilizar un diodo Zener con un coeficiente de temperatura (TC) de +2 mV/°C (voltaje de ruptura 6,2–6,3 V) conectado en serie con un diodo de silicio polarizado directamente (o una unión BE de transistor) fabricado en el mismo chip. [4] El diodo polarizado directamente 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 alrededor de -2 mV/°C, por lo que en un circuito de regulación simple donde el diodo de 4,7 V establece el voltaje en la base de un transistor NPN (es decir, sus coeficientes actúan en paralelo), el emisor estará alrededor de 4 V y bastante estable con la temperatura.
Los diseños modernos han producido dispositivos con voltajes inferiores a 5,6 V con coeficientes de temperatura despreciables, [ cita requerida ] . Los dispositivos de voltaje más alto 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 requerida ]
Los diodos Zener y de avalancha, independientemente de la tensión de ruptura, suelen comercializarse bajo el término general de "diodo Zener".
Por debajo de 5,6 V, donde predomina 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 predomina el efecto avalancha) es mucho más precisa en la ruptura.
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 (aproximadamente 500 kV/m) incluso para una pequeña tensión de polarización inversa de aproximadamente 5 V, lo que permite que los electrones pasen por efecto túnel desde la banda de valencia del material de tipo p a la banda de conducción del material de tipo n.
A escala atómica, esta tunelización corresponde al transporte de electrones de la banda de valencia a los estados de la banda de conducción vacía; 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] La tensión 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 operar en la región de ruptura. Si bien hay tolerancias disponibles dentro del 0,07 %, las tolerancias comúnmente disponibles son del 5 % y el 10 %. La tensión de ruptura de los diodos Zener comúnmente disponibles puede variar de 1,2 V a 200 V.
En el caso de los diodos ligeramente dopados, la ruptura está dominada por el efecto avalancha en lugar del efecto Zener. En consecuencia, la tensión de ruptura es más alta (superior a 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 la variación del voltaje Zener 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 el colector y el emisor conectados juntos como su cátodo y la región de base como ánodo. En este enfoque, el perfil de dopaje de la base generalmente se estrecha hacia la superficie, creando una región con un campo eléctrico intensificado donde ocurre la ruptura de 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 causar entonces un "desplazamiento Zener", un cambio correspondiente del voltaje Zener de la unión. El mismo efecto se puede lograr mediante daño 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 un tiempo más prolongado o un pico de corriente muy alto y corto) causan daño térmico 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 por sobrecalentamiento y causando la migración de metalización a través de la unión ("picos") se puede utilizar intencionalmente como un antifusible de "zap Zener" . [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 encuentra más profundamente en la estructura, típicamente varios micrómetros por debajo del óxido. Los portadores calientes pierden energía por colisiones con la red de semiconductores antes de llegar a la capa de óxido y no pueden quedar atrapados allí. Por lo tanto, el fenómeno de salida del Zener no ocurre aquí, y los Zeners enterrados tienen un voltaje estable durante toda su vida útil. 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 tensión y como reguladores en derivación para regular la tensión en circuitos pequeños. Cuando se conectan en paralelo con una fuente de tensión variable de modo que esté polarizada en sentido inverso, un diodo Zener conduce cuando la tensión alcanza la tensión de ruptura inversa del diodo. A partir de ese momento, la baja impedancia del diodo mantiene la tensión en el 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 U out aproximadamente constante aunque el voltaje de entrada pueda fluctuar en un amplio rango. Debido a la baja impedancia del diodo cuando funciona de esta manera, se utiliza 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 satisfacer dos condiciones:
Se puede colocar una carga a través del diodo en este circuito de referencia y, mientras el diodo Zener permanezca en estado de 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 balasto sea lo suficientemente pequeña para evitar una caída excesiva de voltaje durante el funcionamiento en el peor de los casos (voltaje de entrada bajo concurrente con alta corriente de carga) tienden a dejar mucha 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 solo para cargas más pequeñas.
Estos dispositivos también se encuentran, típicamente en serie con una unión base-emisor, en etapas de transistores donde la elección selectiva de un dispositivo centrado en el punto de avalancha o Zener se puede utilizar para introducir un equilibrio de coeficiente de temperatura compensatorio 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 circuito de fuente de alimentación regulada .
Los diodos Zener también se utilizan en protectores contra sobretensiones para limitar los picos de tensión transitorios.
Otra aplicación del diodo Zener es el uso de su ruido de ruptura de avalancha (ver generador de ruido § Diodo Zener ), que, por ejemplo, se puede utilizar para realizar oscilaciones en un convertidor analógico a digital cuando se encuentra a un nivel rms equivalente a 1 ⁄ 3 a 1 lsb [10] o para crear un generador de números aleatorios .
Dos diodos Zener enfrentados en serie recortan ambas mitades de una señal de entrada. Los recortadores de forma de onda se pueden utilizar no solo para remodelar una señal, sino también para evitar que los picos de tensión 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 variador de voltaje. Este circuito reduce el voltaje de salida en una cantidad que es igual al voltaje de ruptura del diodo Zener.
Un diodo Zener se puede aplicar en un circuito regulador de voltaje para regular el voltaje aplicado a una carga, como en un regulador lineal .
