Диод Зенера. Принцип работы, характеристики и применение в электронике

Определение и принцип работы

Диод Зенера, или стабилитрон — это полупроводниковый диод, предназначенный для работы в режиме обратного пробоя.

При прямом смещении он ведет себя как обычный диод, пропуская ток в прямом направлении. Однако при обратном смещении, когда приложенное напряжение достигает определенного значения, называемого напряжением Зенера (V_Z), происходит пробой p-n-перехода. В этом режиме диод начинает проводить ток в обратном направлении, поддерживая при этом практически постоянное напряжение на своих выводах, независимо от изменений тока. Это свойство делает диоды Зенера незаменимыми для стабилизации напряжения в электронных схемах.

Механизм пробоя в диодах Зенера может быть обусловлен двумя эффектами: туннельным (эффект Зенера) и лавинным пробоем. Туннельный пробой доминирует при низких напряжениях (обычно ниже 5,6 В) и характеризуется отрицательным температурным коэффициентом, то есть напряжение пробоя уменьшается с повышением температуры. Лавинный пробой преобладает при более высоких напряжениях и имеет положительный температурный коэффициент. В диодах с напряжением пробоя около 5,6 В оба эффекта уравновешиваются, что обеспечивает минимальную зависимость напряжения от температуры.

Краткая история

В 1934 году американский физик Кларенс Мелвин Зенер опубликовал работу, в которой описал механизм электрического пробоя в твердых диэлектриках, известный как туннельный пробой или эффект Зенера. Хотя сам Зенер не изобретал диод, его исследования заложили теоретическую основу для разработки компонентов, способных стабилизировать напряжение. Впоследствии инженеры применили его открытия при создании полупроводниковых диодов, специально разработанных для работы в режиме обратного пробоя. Эти устройства получили название «диоды Зенера» в честь ученого, чьи исследования сделали возможным их появление.

В 1954 году Кеннет Маккей из Bell Labs установил, что предложенный Зенером туннельный механизм действует при напряжениях пробоя до примерно 5,5 В, а при больших напряжениях преобладает лавинный механизм.

Конструкция диода Зенера

Диод Зенера представляет собой кремниевый p-n-переход с высокой концентрацией легирующих примесей. Он работает только в режиме обратного смещения и имеет четко выраженное напряжение пробоя (V_z). При пробое через диод протекает ток Зенера (I_z), обеспечивающий стабилизацию напряжения.

Такой эффект достигается за счет введения специальных примесей в кремний, что изменяет его электрические характеристики.

Схематическое обозначение диода Зенера

Эквивалентная электрическая схем

Идеальная

Практическая

В режиме пробоя диод Зенера можно рассматривать как источник постоянного напряжения.

ВАХ (Вольт-Амперные Характеристики) Диода Зенера

ВАХ диода Зенера можно проанализировать с помощью графика.

Который демонстрирует его поведение в различных режимах работы.

В области прямого смещения диод ведет себя как стандартный p-n-переходный диод, а его характеристики показаны в первом квадранте графика. При приложении прямого напряжения (V_F) через диод начинает протекать прямой ток (I_F), который постепенно увеличивается с ростом напряжения.

В области обратного смещения при достижении определенного уровня напряжения, называемого напряжением Зенера (V_z), диод переходит в режим пробоя. Это точка обозначена на графике как K. После пробоя напряжение на диоде остается практически неизменным, несмотря на рост обратного тока (I_R), что делает его полезным для стабилизации напряжения в электрических схемах. В нижней части графика участок между K и M представляет процесс насыщения при обратном смещении, где ток резко увеличивается, а напряжение остается близким к V_z.

Характеристики диода Зенера

Напряжение

Напряжение Зенера (V_Z) – Производители указывают значение пробивного напряжения, называемого напряжением Зенера (V_Z), при определенном тестовом токе I_ZT. Это значение определяется в линейном участке обратной характеристики и составляет примерно ¼ от максимальной мощности рассеивания диода. Современные диоды Зенера выпускаются с напряжениями от 2,4 В до 200 В, а точность их параметров может варьироваться в диапазоне от 5% до 20% в зависимости от стоимости и качества устройства.

Мощность рассеивания

Мощность рассеивания – Определяется как произведение напряжения Зенера (V_Z) на обратный ток (I_Z). Максимальная мощность рассеивания современных диодов Зенера находится в пределах от 150 мВт до 50 Вт, что позволяет использовать их как в маломощных, так и в высокомощных схемах стабилизации.

Ток пробоя

Ток пробоя (Breakover current, I_ZK) – В реальных условиях вольт-амперная характеристика диода Зенера на малых значениях I_Z может демонстрировать нелинейность. В области, называемой «коленом» пробоя (breakover knee), при токе I_ZK напряжение на диоде может значительно отклоняться от V_Z, что важно учитывать при проектировании схем.

Динамическое сопротивление

Динамическое сопротивление (Impedance) – Этот параметр оценивается в области заданного тестового тока I_ZT и является обратной величиной угла наклона обратной характеристики. В идеальном случае сопротивление Z_z равно нулю, что соответствует абсолютно вертикальной характеристике пробоя. Однако на практике это значение может варьироваться от нескольких ом до нескольких сотен ом, в зависимости от напряжения Зенера и рабочего тока. Производители указывают этот параметр, чтобы охарактеризовать, насколько крутой является обратная характеристика пробоя для конкретного диода.

Z_Z = \frac{\Delta V_Z}{\Delta I_Z}

Применение и сравнение диода Зенера с P-N переходным диодом

Применение диода Зенера

Диоды Зенера находят широкое применение в электронике благодаря своей способности поддерживать стабильное напряжение в режиме пробоя. Основные области их использования включают:

• Регуляторы напряжения в стабилизированных источниках питания.
• Опорные источники напряжения в схемах смещения транзисторов.
• Ограничители амплитуды (клипперы) и лимитеры в схемах формирования сигналов.
• Защитные элементы измерительных приборов, предотвращающие повреждения от случайных импульсов напряжения.

Сравнение диода Зенера с P-N переходным диодом

В таблице приведены ключевые различия между этими типами диодов: