Como funciona um diodo zener

O diodo zener ou diodo zener (diodo zener semicondutor) é um diodo especial que opera em um modo de ruptura estável sob condições de polarização reversa da junção pn. Até que essa quebra ocorra, apenas uma corrente muito pequena flui através do diodo zener, a corrente de fuga, devido à alta resistência do diodo zener fechado.

Mas quando ocorre uma falha, a corrente aumenta instantaneamente porque a resistência diferencial do zener é neste ponto de frações a centenas de ohms. Dessa forma, a tensão no diodo zener é mantida com muita precisão em uma faixa relativamente ampla de correntes reversas.

O diodo Zener é chamado de diodo Zener (do inglês Zener diodo) em homenagem ao cientista que descobriu pela primeira vez o fenômeno da ruptura do túnel, o físico americano Clarence Melvin Zener (1905 - 1993).

A quebra elétrica da junção pn, descoberta por Zener, relacionada ao efeito tunelamento, o fenômeno do vazamento de elétrons através de uma fina barreira de potencial, é hoje chamada de efeito zener, que hoje atua em diodos Zener semicondutores.

A imagem física do efeito é a seguinte.Na polarização reversa da junção p-n, as bandas de energia se sobrepõem e os elétrons podem se mover da banda de valência da região p para a banda de condução da região n, devido a campo elétrico, isso aumenta o número de portadores de carga livres e a corrente reversa aumenta acentuadamente.

Assim, o principal objetivo do diodo zener é estabilizar a tensão. A indústria produz diodos zener semicondutores com tensões de estabilização de 1,8 V a 400 V, alta, média e baixa potência, que diferem na corrente reversa máxima permitida.

Estabilizadores de tensão simples são feitos com base nisso. Nos diagramas, os diodos zener são indicados por um símbolo semelhante ao símbolo do diodo, com a única diferença de que o cátodo dos diodos zener é representado na forma da letra «G».

Os diodos Zener com uma estrutura integrada latente, com uma tensão de estabilização de cerca de 7 V, são as fontes de referência de tensão de estado sólido mais precisas e estáveis: seus melhores exemplos são caracteristicamente próximos da célula galvânica Weston normal (célula galvânica de referência de cádmio e mercúrio) .

Os diodos de avalanche de alta tensão ("diodos TVS" e "supressores"), amplamente utilizados em circuitos de proteção contra surtos de todos os tipos de equipamentos, pertencem a um tipo especial de diodos zener.

Como você pode ver, o diodo zener, ao contrário do diodo convencional, funciona no ramo reverso da característica I-V. Em um diodo comum, se uma tensão reversa for aplicada a ele, a falha pode ocorrer de três maneiras (ou todas de uma vez): quebra de túnel, quebra de avalanche e quebra devido ao aquecimento térmico de correntes de fuga.

A quebra térmica dos diodos zener de silício não é importante porque eles são projetados para que a quebra do túnel, a quebra da avalanche ou ambos os tipos de quebra ocorram simultaneamente muito antes da tendência de quebra térmica. Os diodos zener da série são atualmente feitos principalmente de silício.

Uma quebra em uma tensão abaixo de 5 V é uma manifestação do efeito Zener, uma quebra acima de 5 V é uma manifestação de uma avalanche. Uma tensão de ruptura intermediária de cerca de 5 V geralmente resulta de uma combinação desses dois efeitos. A intensidade do campo elétrico no momento da quebra do diodo zener é de cerca de 30 MV / m.

A quebra do diodo Zener ocorre em semicondutores moderadamente dopados do tipo P e semicondutores fortemente dopados do tipo N. À medida que a temperatura da junção aumenta, a remoção do diodo zener diminui e a contribuição da quebra da avalanche aumenta.

Os diodos Zener têm as seguintes características típicas. Vz — tensão de estabilização. A documentação especifica dois valores para este parâmetro: a tensão de estabilização máxima e mínima. Iz é a corrente mínima de estabilização. Zz é a resistência do diodo zener. Izk e Zzk — resistência atual e dinâmica em corrente contínua. Ir e Vr são a corrente e tensão de fuga máximas a uma dada temperatura. Tc é o coeficiente de temperatura. Izrm — corrente máxima de estabilização do diodo zener.

Os diodos Zener são amplamente utilizados como elementos estabilizadores independentes, bem como fontes de tensões de referência (tensões de referência) em estabilizadores de transistores.

Para obter pequenas tensões de referência, os diodos zener também são ligados na direção direta, como diodos comuns, então a tensão de estabilização de um diodo zener será de 0,7 a 0,8 volts.

A potência máxima dissipada pelo corpo de um diodo zener está tipicamente na faixa de 0,125 a 1 watt. Isso, via de regra, é suficiente para a operação normal de circuitos de proteção contra ruído de impulso e para a construção de estabilizadores de baixa potência.