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Diodo Zener

I diodi Zener sono diodi al silicio con giunzione pn, il cui comportamento è dovuto alla combinazione degli effetti Zener e valanga.
L'effetto Zener si ottiene drogando fortemente la zona p e la zona n del silicio; in questo modo si ha una giunzione molto stretta e applicando in essa la tensione di polarizzazione

[math]-V_{AK}=-V_{Z0}[/math]
, otteniamo un campo elettrico di circa:
[math]20\cdot10^6 V/m[/math]
, che rompe numerosi legami covalenti degli atomi prendendone numerosi elettroni di valenza.
Le cariche libere che vengono generate vanno a riempire la giunzione diminuendone cosi la resistività e rendendola conduttiva.
Drogando oppurtunamente il diodo, l'intensita del campo di
[math]20\cdot10^6 V/m[/math]
è ottenuta con tensioni di polarizzazione comprese fra
[math]-600V[/math]
e
[math]-20V[/math]
.
Per
[math]-V_{AK}<-V_{Z0}[/math]
si ha che:
Prima la corrente inversa aumenta gradualmente; ad un determinato valore di
[math]-V_{AK}[/math]
, detta tensione di "breakdown", si ha la rottura della zona di interdizione; successivamente si verifica l'effetto valanga, dove per piccole variazioni
[math]-V_{AK}[/math]
la corrente inversa
[math]-I_A[/math]
aumenta rapidamente.
Qui sotto è riportato il disegno del simbolo di un diodo Zener:

diodo zener


mentre qui sotto vi riportiamo il circuito di polarizzazione con le convenzioni di segno per tensione e corrente ai capi del diodo.

circuito zener

[math]\bullet[/math]
Per la convenzione di segno della tensione ai capi del diodo Zener, si considera positiva la tensione fra catodo ed anodo e la si indica con
[math]V_Z \left(V_Z=-V_{AK}\right)[/math]
.

[math]\bullet[/math]
Per la convezione di segno della corrente che attraversa il diodo Zener si considera positiva la corrente entrante del catodoe la si indica con
[math]I_Z \left(I_Z=-I_A\right)[/math]
.

Il diodo Zener viene utilizzato nella regione in cui la corrente

[math]I_Z[/math]
varia rapidamente con la tensione
[math]V_Z[/math]
; le tensioni
[math]V_Z[/math]
del diodo Zener sono comprese fra un valore minimo
[math]V_{Zmin}[/math]
, subito dopo il breakdown e, un valore massimo
[math]V_{Zmax}[/math]
.
Per
[math]V_{Z}>V_{Zmax}[/math]
si ha un forte aumento di
[math]I_Z[/math]
che riscalda il diodo fino a distruggerlo, ovviamente viene sempre riportato del costruttore il valore massimo che la corrente può assumenre senza che il diodo si distrugga o fonda.

Generalmente i diodi Zener vengono impiegati per creare circuiti regolatori che forniscono tensioni costanti partendo da tensioni più elevate.

[math]A\big)[/math]
Caratteristica tensione-corrente del diodo Zener

L'andamento della caratteristica del diodo Zener viene riportata qui sotto.

curva diodo

Nelle applicazioni del diodo Zener si utilizza la zona relativa alla polarizzazione inversa che è divisa in: regione di interdizione; regione di ginocchio e in regione di rottura; per tanto nelle applicazioni si utilizza solamente il terzo quadrante qui sotto rappresentato.

quadrante

Considerando il quadrante qui sopra raffigurato si evince che:

[math]\bullet[/math]
La regione di interdizione è individuata fra
[math]V_Z=0[/math]
e
[math]V_Z=V_{Z0}[/math]
, dove si ha una piccola corrente inversa.

[math]\bullet[/math]
La regione di ginocchio è compresa fra la tensione
[math]V_{Z0}[/math]
e la tensione di breadown.
In questa regione all'aumentare in valore assoluto della tensione di polarizzazione inversa, nel diodo si ha un relativo aumento della corrente ed esiste un valore leggermente superiore a
[math]V_{Z0}[/math]
, che esprime la tensione caratteristica di Zener indicata con
[math]V_{ZK}[/math]
per la quale si ottiene la corrente
[math]I_{ZK}[/math]
; vale frequentemente in molti diodi Zener
[math]I_{ZK}=5m_A[/math]
.

[math]\bullet[/math]
Per
[math]V_{Zmin}<V_Z<V_{Zmax}[/math]
ci si trova nella regione di rottura.
In questa regione si è nel tratto di caratteristica compreso fra i punti
[math]\left(V_{Zmin}[/math]
,
[math]I_{Zmin}\big)[/math]
e
[math]\big(V_{Zmax}[/math]
,
[math]I_{Zmax}\big)[/math]
, si trovano la tensione di test e la tensione nominale di Zener.

[math]\triangleright[/math]
La tensione di test è dovuta ad esigenze tecniche di misura, il suo valore è determinato da una corrente di test, indicata con
[math]I_{ZT}[/math]
.

[math]\triangleright[/math]
La tensione nominale di Zener è espressa da un valore di tensione più una percentuale di tolleranza.
La caratteristica di un diodo Zener è rilevata alla temperatura ambiente
[math]T_j=25^\circ C[/math]
.
Per un diodo, all'aumentare della temperatura ambiente si hanno dei valori diversi di
[math]V_Z[/math]
nominale e relativi agli spostamenti della caratteristica. Le variazioni dei parametri influenzati dalla temperatura sono espressi dal coefficiente di temperatura
[math]\alpha_{Z}[/math]
, che indica quanto varia percentualmente il parametro per ogni grado centigrado di variazione di temperatura a partire da quella ambiente di
[math]25^\circ[/math]
.

[math]B\big)[/math]
Resistenza differenziale

La resistenza differenziale, o resistenza dinamica, di un diodo Zener è indicata con

[math]r_Z[/math]
o
[math]z_Z[/math]
, è rappresentata dalla pendenza della curva caratteristica in un punto della zona di lavoro compreso fra
[math]\left(V_{Zmin}[/math]
,
[math]I_{Zmin}\big)[/math]
e
[math]\big(V_{Zmax}[/math]
,
[math]I_{Zmax}\big)[/math]
ed è espressa dalla relazione:
[math]r_Z=\Delta V_Z/\Delta I_Z[/math]

Generalmente, in ogni punto della zona di lavoro
[math]r_Z[/math]
ha un valore diverso e il valore nominale è misurato per una data corrente.
Le caratteristiche dei diodi con
[math]6V<V_{Z}<8V[/math]
hanno un andamento molto ripido e la loro resistenza differenziale ha valori compresi fra
[math]1\Omega[/math]
e
[math]100\Omega[/math]
; per i diodi con
[math]V_{Z}>8V[/math]
e
[math]V_{Z}<6V[/math]
, il valore di
[math]r_Z[/math]
è maggiore.

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