Diodo Zener

Appunto di elettronica sul diodo Zener: funzionalità e descrizione

kykko_90
di kykko_90
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Concetti Chiave

  • I diodi Zener sfruttano gli effetti Zener e valanga per consentire la conduzione in modalità polarizzazione inversa, grazie a una giunzione pn fortemente drogata.
  • La tensione di breakdown del diodo Zener è il punto in cui la corrente inversa aumenta rapidamente, utile per ottenere tensioni stabili in circuiti regolatori.
  • Il diodo Zener opera principalmente nella regione di rottura, dove la tensione varia tra un minimo e un massimo, evitando il surriscaldamento e la distruzione del componente.
  • La caratteristica tensione-corrente del diodo Zener comprende tre regioni: interdizione, ginocchio e rottura, ciascuna con comportamenti distinti della corrente inversa.
  • La resistenza differenziale del diodo Zener, indicata come rZ, varia in base alla zona di lavoro ed è influenzata dalla corrente e dalla temperatura ambiente.
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.

Domande da interrogazione

  1. Qual è il principio di funzionamento dei diodi Zener?

    2. I diodi Zener funzionano grazie alla combinazione degli effetti Zener e valanga, ottenuti drogando fortemente la zona p e n del silicio, creando una giunzione stretta che diventa conduttiva sotto una tensione di polarizzazione specifica.

  2. Come si comporta la corrente inversa nei diodi Zener?

    3. La corrente inversa nei diodi Zener aumenta gradualmente fino a un valore di tensione di breakdown, dopo di che aumenta rapidamente a causa dell'effetto valanga.

  3. Qual è l'utilizzo principale dei diodi Zener?

    4. I diodi Zener sono principalmente utilizzati per creare circuiti regolatori che forniscono tensioni costanti partendo da tensioni più elevate.

  4. Cosa rappresenta la resistenza differenziale nei diodi Zener?

    5. La resistenza differenziale, indicata con \( r_Z \), rappresenta la pendenza della curva caratteristica in un punto della zona di lavoro del diodo Zener ed è espressa dalla relazione \( r_Z=\Delta V_Z/\Delta I_Z \).

  5. Come influisce la temperatura sulla caratteristica dei diodi Zener?

    6. La temperatura influisce sui valori di tensione nominale \( V_Z \) e sui parametri del diodo Zener, con variazioni espresse dal coefficiente di temperatura \( \alpha_{Z} \), che indica la variazione percentuale del parametro per ogni grado centigrado di variazione di temperatura.

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