ซีเนอร์ไดโอดทำงานอย่างไร

ซีเนอร์ไดโอดหรือซีเนอร์ไดโอด (เซมิคอนดักเตอร์ซีเนอร์ไดโอด) เป็นไดโอดพิเศษที่ทำงานในโหมดแยกย่อยที่เสถียรภายใต้สภาวะไบอัสย้อนกลับของจุดแยก pn จนกว่าจะมีการสลายนี้ จะมีกระแสไฟเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่ไหลผ่านซีเนอร์ไดโอด ซึ่งเป็นกระแสไฟรั่ว เนื่องจากความต้านทานสูงของซีเนอร์ไดโอดแบบปิด

แต่เมื่อเกิดฟอลต์ กระแสจะเพิ่มขึ้นทันทีเนื่องจากค่าความต้านทานดิฟเฟอเรนเชียลของซีเนอร์อยู่ที่จุดนี้ตั้งแต่เศษส่วนจนถึงหลายร้อยโอห์ม ด้วยวิธีนี้ แรงดันคร่อมซีเนอร์ไดโอดจะคงไว้อย่างแม่นยำมากในช่วงกระแสย้อนกลับที่ค่อนข้างกว้าง

ไดโอดซีเนอร์เรียกว่าไดโอดซีเนอร์ (จากไดโอดซีเนอร์ภาษาอังกฤษ) เพื่อเป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ค้นพบปรากฏการณ์ของการพังทลายของอุโมงค์ Clarence Melvin Zener นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน (พ.ศ. 2448-2536)

การสลายตัวทางไฟฟ้าของจุดแยก pn ซึ่งค้นพบโดยซีเนอร์เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์การรั่วไหลของอิเล็กตรอนผ่านสิ่งกีดขวางศักย์ไฟฟ้าบางๆ ปัจจุบันเรียกว่าซีเนอร์เอฟเฟ็กต์ ซึ่งปัจจุบันทำหน้าที่ในซีเนอร์ไดโอดของเซมิคอนดักเตอร์

ภาพทางกายภาพของเอฟเฟกต์มีดังนี้ในอคติย้อนกลับของจุดแยก p-n แถบพลังงานจะทับซ้อนกัน และอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่จากแถบเวเลนซ์ของบริเวณ p ไปยังแถบการนำไฟฟ้าของบริเวณ n เนื่องจาก สนามไฟฟ้าสิ่งนี้จะเพิ่มจำนวนผู้ให้บริการฟรีและกระแสย้อนกลับเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

ดังนั้นจุดประสงค์หลักของซีเนอร์ไดโอดคือการทำให้แรงดันไฟฟ้าคงที่ อุตสาหกรรมนี้ผลิตไดโอดซีเนอร์ของสารกึ่งตัวนำที่มีแรงดันไฟฟ้าคงที่ตั้งแต่ 1.8 V ถึง 400 V กำลังสูง ปานกลาง และต่ำ ซึ่งต่างกันที่กระแสย้อนกลับสูงสุดที่อนุญาต

ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าอย่างง่ายถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานนี้ ในไดอะแกรมซีเนอร์ไดโอดจะแสดงด้วยสัญลักษณ์ที่คล้ายกับสัญลักษณ์ไดโอด โดยมีข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือแคโทดของซีเนอร์ไดโอดจะแสดงเป็นตัวอักษร «G»

ซีเนอร์ไดโอดที่มีโครงสร้างแบบรวมแฝงซึ่งมีแรงดันคงที่ประมาณ 7 V เป็นแหล่งอ้างอิงแรงดันโซลิดสเตตที่แม่นยำและเสถียรที่สุด: ตัวอย่างที่ดีที่สุดมีลักษณะเฉพาะใกล้เคียงกับเซลล์กัลวานิกเวสตันปกติ (เซลล์กัลวานิกอ้างอิงแคดเมียมปรอท)

ไดโอดหิมะถล่มแรงดันสูง ("ไดโอด TVS" และ "ตัวต้าน") ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรป้องกันไฟกระชากของอุปกรณ์ทุกชนิดอยู่ในไดโอดซีเนอร์ชนิดพิเศษ

อย่างที่คุณเห็น ซีเนอร์ไดโอด ซึ่งแตกต่างจากไดโอดทั่วไป ทำงานในสาขากลับของคุณลักษณะ I — V ในไดโอดทั่วไป หากใช้แรงดันย้อนกลับ ความล้มเหลวอาจเกิดขึ้นได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสามวิธี (หรือทั้งหมดพร้อมกัน): การพังทลายของอุโมงค์ การพังทลายของหิมะถล่ม และการพังทลายเนื่องจากความร้อนจากกระแสไฟรั่ว

การสลายตัวเนื่องจากความร้อนของซิลิคอนซีเนอร์ไดโอดนั้นไม่สำคัญ เนื่องจากได้รับการออกแบบมาเพื่อให้การสลายในอุโมงค์ การสลายจากหิมะถล่ม หรือการสลายทั้งสองประเภทเกิดขึ้นพร้อมกันเป็นเวลานานก่อนที่จะมีแนวโน้มการสลายเนื่องจากความร้อน ซีเนอร์ไดโอดในปัจจุบันทำจากซิลิกอนเป็นส่วนใหญ่

การพังทลายที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 5 V เป็นการแสดงให้เห็นของเอฟเฟกต์ซีเนอร์ การพังทลายที่สูงกว่า 5 V เป็นการแสดงการพังทลายของหิมะถล่ม แรงดันพังทลายระดับกลางประมาณ 5 V มักจะเป็นผลจากการรวมกันของเอฟเฟกต์ทั้งสองนี้ ความแรงของสนามไฟฟ้าในขณะที่การสลายตัวของซีเนอร์ไดโอดอยู่ที่ประมาณ 30 MV / m

การแตกสลายของไดโอดซีเนอร์เกิดขึ้นในสารกึ่งตัวนำประเภท p ที่เจือสารเจือปานกลางและสารกึ่งตัวนำชนิด n ที่เจืออย่างเข้มข้น เมื่ออุณหภูมิของจุดแยกเพิ่มขึ้น การลอกของไดโอดซีเนอร์จะลดลงและส่วนร่วมของการสลายของหิมะถล่มจะเพิ่มขึ้น

ซีเนอร์ไดโอดมีลักษณะทั่วไปดังต่อไปนี้ Vz — แรงดันคงที่ เอกสารระบุค่าสองค่าสำหรับพารามิเตอร์นี้: แรงดันคงที่สูงสุดและต่ำสุด Iz คือกระแสคงที่ขั้นต่ำ Zz คือความต้านทานของซีเนอร์ไดโอด Izk และ Zzk — ความต้านทานกระแสและไดนามิกที่กระแสตรง Ir และ Vr คือกระแสรั่วไหลสูงสุดและแรงดันที่อุณหภูมิที่กำหนด Tc คือสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ Izrm — กระแสความเสถียรสูงสุดของซีเนอร์ไดโอด

ซีเนอร์ไดโอดถูกใช้อย่างกว้างขวางในฐานะองค์ประกอบเสถียรภาพอิสระ เช่นเดียวกับแหล่งที่มาของแรงดันอ้างอิง (แรงดันอ้างอิง) ในตัวสร้างเสถียรภาพของทรานซิสเตอร์

เพื่อให้ได้แรงดันอ้างอิงขนาดเล็ก ไดโอดซีเนอร์จะถูกเปิดในทิศทางไปข้างหน้าเช่นเดียวกับไดโอดทั่วไป จากนั้นแรงดันคงที่ของไดโอดซีเนอร์หนึ่งตัวจะเท่ากับ 0.7 — 0.8 โวลต์

พลังงานสูงสุดที่ร่างกายของซีเนอร์ไดโอดกระจายไปโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 0.125 ถึง 1 วัตต์ ตามกฎแล้วสิ่งนี้เพียงพอสำหรับการทำงานปกติของวงจรป้องกันจากสัญญาณรบกวนและสำหรับการสร้างตัวปรับเสถียรภาพพลังงานต่ำ