Co to są diody Zenera i gdzie można je wykorzystać?

Współczesna elektronika korzysta z milionów rozmaitych modeli elementów półprzewodnikowych, wśród których znaczną część stanowią mniej lub bardziej rozbudowane układy scalone. Jednak nawet one powstają na bazie pewnej niewielkiej grupy fundamentalnych „cegiełek” – w tym tranzystorów i diod, wykonywanych wprawdzie w ramach wysoce specjalistycznych technik litograficznych, ale nie odbiegających zanadto od zasady działania prostych komponentów dyskretnych. Dlatego właśnie poznanie tych „cegiełek” jest niezwykle ważne dla praktykującego elektronika, który powinien dobrze opanować i zrozumieć działanie elementów półprzewodnikowych – czy to w celu ich poprawnego stosowania w układach dyskretnych, czy to dlatego, by łatwiej móc analizować funkcjonowanie oraz parametry rozmaitych układów scalonych. Dziś przyjrzymy się diodom Zenera – prostym, ale bardzo ważnym elementom, bez których trudno byłoby wyobrazić sobie dzisiejszą elektronikę.

Skrót najważniejszych informacji na dobry początek

Dioda Zenera to dwukońcówkowy element półprzewodnikowy, którego zachowanie różni się w zasadniczy sposób od działania zwykłych diod prostowniczych – ale tylko podczas pracy w polaryzacji zaporowej. Jeżeli do katody diody Zenera przyłożymy potencjał wyższy o pewną wartość napięcia od potencjału panującego na jej anodzie, to w pewnym zakresie napięć wstecznych dioda praktycznie nie będzie przewodziła prądu – pod tym względem zachowa się więc tak, jak zwykła dioda krzemowa. Jeżeli jednak będziemy nadal zwiększać wartość napięcia, przez diodę zacznie płynąć prąd, mało tego – będzie gwałtownie wzrastał wraz z niewielkimi zmianami różnicy potencjałów pomiędzy końcówkami diody. Proces ten – co ważne – nie spowoduje uszkodzenia diody, o ile rzecz jasna nie przekroczymy dopuszczalnej mocy strat oraz (co się z tym bezpośrednio wiąże) wartości prądu maksymalnego.

Zwróć uwagę, że opisane działanie diody Zenera implikuje pewien ważny wniosek – w stosunkowo szerokim zakresie napięć w kierunku wstecznym, dioda będzie utrzymywała w przybliżeniu stałe napięcie. Innymi słowy – struktura półprzewodnikowa będzie tak modyfikowała swoją rezystancję, by utrzymać w miarę możliwości stabilną wartość napięcia. I to właśnie jest największa zaleta i zarazem podstawowa cecha diod Zenera, wykorzystywana w praktyce – zdolność do stabilizacji napięcia poprzez aktywną regulację natężenia przepływającego przez element prądu. Ale jak to się dzieje? Po odpowiedź na to pytanie musimy „zejść w głąb” struktury półprzewodnikowej i zanurzyć się na chwilę w świat fizyki kwantowej.

Kwantowe podstawy działania diody Zenera

W istocie, dioda Zenera działa na podstawie dwóch głównych mechanizmów: zjawiska przejścia tunelowego oraz zjawiska przebicia lawinowego, a o tym, z którym z nich mamy do czynienia, decyduje zakres napięcia, przyłożonego do diody.

W przypadku niskonapięciowych diod Zenera (tj. w zakresie zazwyczaj poniżej 5...6 V) zachodzi zjawisko tunelowe: w tradycyjnym rozumieniu mechaniki, elektron nie miałby wystarczającej energii, aby pokonać barierę energetyczną, stanowioną przez złącze diody, jednakże, dzięki prawom mechaniki kwantowej, istnieje pewne prawdopodobieństwo, że elektron "przetuneluje" przez tę barierę. W miarę wzrostu napięcia przyłożonego do diody, prawdopodobieństwo tunelowania rośnie, co prowadzi do gwałtownego wzrostu natężenia prądu, płynącego przez diodę – pomimo iż jest ona spolaryzowana w kierunku zaporowym.

Dla diod Zenera o wyższym napięciu nominalnym (zwykle powyżej około 7 V), dominującym mechanizmem jest tzw. przebicie lawinowe. W tym przypadku, przy odpowiednio wysokim napięciu, elektrony są przyspieszane do takiej prędkości, że gdy zderzają się z atomami w sieci krystalicznej półprzewodnika, mogą „wyrwać” kolejne elektrony z ich orbit. Te nowe, „wyswobodzone” nośniki ładunku, są następnie przyspieszane przez pole elektryczne w półprzewodniku i zderzają się z kolejnymi atomami, jonizując je, a w efekcie – powodując „wybicie” jeszcze większej liczby elektronów. Takie podobieństwo do efektu „lawiny śnieżnej” stało się więc źródłem nazwy opisywanego zjawiska – efektu lawinowego.

Zwróć uwagę, że opisane zjawiska zachodzą w istocie na poziomie kwantowym, ale dla użytkownika (konstruktora elektronika) są one „widoczne” praktycznie w ten sam sposób – diody Zenera, niezależnie od napięcia nominalnego, zachowują się w praktyce tak samo, a jedyną zmianą jest poziom różnicy potencjałów pomiędzy elektrodami, przy którym następuje przebicie i przejście do trybu stabilizacji napięcia. Napięcie, przy jakim to się dzieje, nazywane jest napięciem Zenera i stanowi zasadniczo stałą charakterystykę dla konkretnej diody Zenera - w rzeczywistości zmienia się ono w niewielkim stopniu np. pod wpływem temperatury, ale w typowych układach pracy ma to zwykle niezbyt duże znaczenie.

Parametry diod Zenera

Jak już wiesz, napięcie Zenera jest najważniejszą spośród cech każdego elementu z omawianej grupy, ale w praktyce należy uwzględnić jeszcze szereg innych parametrów. Po pierwsze, napięcie Zenera (Vz) jest zawsze podawane dla określonej wartości prądu – np. 5 mA. Po drugie – nawet zapisana w ten sposób wartość napięcia i tak podlega nieuchronnym rozrzutom produkcyjnym (tolerancji), w związku z czym poszczególne diody (nawet wykonane w ramach tej samej serii produkcyjnej) będą nieznacznie różniły się pomiędzy sobą. Miarą tych różnic może być np. para wartości Vz (minimum oraz maksimum) dla różnych wersji tego samego typu diody – im element dokładniejszy, tym węższy jest dopuszczalny zakres napięć Vz (oczywiście, w tych samych warunkach pracy – przy identycznym prądzie oraz temperaturze otoczenia).

Pojawia się zatem pytanie, jak właściwie określić podatność Vz na zmiany natężenia prądu? Tutaj przydaje się pojęcie rezystancji dynamicznej, której wartość w danym punkcie pracy (tj. przy określonym prądzie i napięciu na końcówkach diody) to w istocie iloraz niewielkiej zmiany napięcia oraz odpowiadającej jej zmiany natężenia prądu, płynącego przez element w kierunku zaporowym. Innymi słowy – im wyższa rezystancja dynamiczna, tym silniej reaguje dioda Zenera na wahania natężenia prądu. Co ważne, wartość rezystancji dynamicznej istotnie maleje wraz ze wzrostem prądu, co jasno pokazuje, jak uzyskać lepszą stabilizację napięcia w budowanym układzie elektronicznym. Rzecz jasna, trzeba pamiętać o konieczności zachowania bezpiecznego odstępu od wartości maksymalnej mocy strat, a dodatkowo mieć na uwadze fakt, iż zbyt wysoka wartość mocy będzie powodowała efekt samopodgrzewania struktury diody, co także wpłynie na wartość napięcia Zenera.

Maksymalna moc tracona w diodzie jest iloczynem prądu płynącego przez element oraz panującego na nim napięcia – oznacza to, że diody o wyższym napięciu pracy (ale tej samej mocy, np. 0.5 W) mogą być zasilane mniejszym prądem. Niezależnie od wartości mocy, producenci podają ponadto maksymalne natężenie prądu diody w kierunku przewodzenia, a także standardowe napięcie przewodzenia (wynoszące zwykle od 700 mV do około 1 V). W niektórych układach (np. analogowych torach wejściowych urządzeń elektronicznych) ważna jest również wartość prądu wstecznego, płynącego przy napięciu w kierunku zaporowym znacznie niższym od napięcia Zenera danej diody – zwykle prąd ten plasuje się na poziomie kilkuset nanoamperów (do około 1 mikroampera).