دیود زنر

دیود زنر نوع خاصی دیود است که برخلاف دیودهای عادی، جریان را در دو جهت عبور می‌دهد. این دیود، قلب تنظیم‌کننده‌ها و مدارهای ولتاژ است و ولتاژ‌ مرجع  تقویت کننده تفاضلی را تولید می‌کند. ویژگی اصلی یک دیود زنر، هدایت جریان در دو جهت است.

دیود اساساً از دو نیمه‌‌هادی تشکیل شده که به یکدیگر متصل شده‌اند. مشخصات این دو نیمه‌هادی با هم متفاوت است؛ یکی از آن‌ها فاقد الکترون بوده یا به تعبیری بار مثبت یا حفره اضافه دارد (نیمه‌هادی نوع p) و دیگری دارای الکترون اضافه (نیمه‌هادی نوع n) است. با اتصال این دو نیمه‌هادی به یکدیگر، یک پیوند PN داریم و به این ترتیب، الکترون‌ها و حفره‌ها قابل انتقال هستند.

قبل از معرفی دیود زنر، ابتدا بایاس مستقیم و بایاس معکوس را توضیح می‌دهیم.

بایاس مستقیم

هدف اساسی یک دیود، برخلاف مقاومت، گذر جریان فقط در یک جهت است. جریان، تنها وقتی از یک دیود عبور می‌کند که دیود، بایاس مستقیم (Forward Biasing) باشد. بایاس مستقیم، یعنی نیمه‌هادی مثبت یا آند (نوع p) به ترمینال مثبت یک باتری و نیمه‌هادی منفی یا کاتد، به ترمینال منفی باتری وصل شود. در این حالت، تعدادی از الکترون‌های نیمه‌هادی n به نیمه‌هادی نوع p جذب می‌شوند و به سمت دیگر پیوند حرکت خواهند کرد. به‌طور مشابه، حفره‌ها جذب نیمه‌هادی نوع n می‌شوند و راه خود را برای رفتن به سمت دیگر باز می‌کنند. این نفوذ، حفره‌های نیمه‌هادی نوع p و الکترون‌های نیمه‌هادی نوع n را خالی می‌کند.

در نتیجه، دو ناحیه نازک به‌وجود می‌آید که از بار خالی شده و «ناحیه تخلیه» (Depletion Region) نامیده می‌شود.

وقتی دیود با منبع DC بایاس مستقیم شود، ولتاژ ناحیه تخلیه با آن مخالفت می‌کند، زیرا این دو ولتاژ، جریان‌هایی در خلاف جهت هم تولید می‌کنند که همواره با هم مخالف هستند. بنابراین، ناحیه تخلیه، به‌عنوان یک مانع برای عبور جریان رفتار می‌کند. با اعمال یک ولتاژ بزرگ می‌توان بر «ولتاژ سد» (Barrier Voltage) غلبه کرد. این ولتاژ بزرگ، الکترون‌های نیمه هادی نوع n را به سمت ناحیه تخلیه و در ادامه، نیمه‌هادی نوع p سوق می‌دهد. افزایش ولتاژ بیشتر، سبب افزایش تدریجی و برقراری جریان خواهد شد. بدین ترتیب، عرض ناحیه تخلیه به‌تدریج کاهش می‌یابد تا اینکه کاملاً از بین برود و به دیود اجازه برقراری جریان دهد.

بایاس معکوس

وقتی دیود بایاس معکوس (Reverse Biasing) می‌شود که سر مثبت باتری را به نیمه‌هادی نوع n و سر منفی باتری را به نیمه‌هادی نوع p وصل کنیم. بدین ترتیب، ترمینال منفی،‌ حفره‌های نیمه‌هادی نوع p را جذب و ترمینال مثبت،‌ الکترون‌های نیمه‌هادی نوع n جذب می‌کند. در نتیجه، عرض ناحیه تخلیه زیاد شده و از عبور جریان جلوگیری می‌شود. بنابراین،‌ یک دیود با بایاس معکوس، مقاومت الکتریکی بالایی از خود نشان می‌دهد. البته هنوز هم به دلیل وجود بارهای هرچند کم، جابه‌جایی از پیوند تا ترمینال‌ها وجود دارد و سبب می‌شود دیود یک جریان بسیار کم در حدود چند میکروآمپر داشته باشد که «جریان نشتی» (Leakage Current) نامیده می‌شود.