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.

میدان الکتریکی، تابعی از عرض ناحیه تخلیه است. بنابراین، اگر ولتاژ‌ بایاس معکوس را افزایش دهیم، عرض ناحیه تخلیه و در نتیجه، میدان الکتریکی بزرگ خواهد شد. زمانی که ولتاژ اعمالی به یک مقدار معین برسد، یک افزایش ناگهانی جریان رخ خواهد داد. این ولتاژ را «ولتاژ شکست» (Breakdown Voltage) می‌نامیم. در این نقطه، یک افزایش کوچک در ولتاژ، باعث افزایش قابل توجه در جریان می‌شود.

افزایش ناگهانی جریان الکتریکی، سبب شکست پیوند می‌شود که حاصلِ یکی از دو پدیده «شکست زنر» (Zener Breakdown) یا «شکست بهمنی» (Avalanche Breakdown) است. شکست بهمنی، در اثر شتاب گرفتن حامل‌های اقلیت نیمه‌هادی نوع p و برخورد آن‌ها با اتم‌‌ها و یون‌های ناحیه تخلیه در اثر میدان الکتریکی قوی رخ می‌دهد. شکست زنر نیز حاصل از شکستن پیوندهای ناحیه تخلیه و آزاد شدن الکترون‌های آن در اثر میدان قوی است. ولتاژی که در آن، شکست زنر رخ می‌دهد، «ولتاژ‌ زنر» (Zener Voltage) نام دارد و افزایش ناگهانی جریان، با نام «جریان زنر» (Zener Current) شناخته می‌شود.

در ولتاژ شکست، دیود بسیار گرم شده و در صورت افزایش ولتاژ، می‌سوزد. به همین دلیل، یک دیود عادی، در ناحیه شکست کار نمی‌کند، زیرا اضافه جریان دائمی به آن آسیب می‌رساند.

دیود زنر

«دیود زنر» (Zener Diode)، دیودی است که به طور خاص برای کار در بایاس معکوس مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع دیود، برای کار در ناحیه شکست زنر طراحی شده است. دیود زنر که در شرایط بایاس مستقیم مانند یک دیود عادی عمل می‌کند، نسبت به دیود عادی، آلاییده است (ناخالصی دارد). بنابراین، یک ناحیه تخلیه بسیار نازک دارد و به همین دلیل، جریان الکتریکی بیشتری نسبت به دیودهای عادی از خود عبور می‌دهد. تفاوت دیود زنر با دیود معمولی این است که دیود زنر، با ورود به ناحیه شکست، آسیبی نمی‌بیند.

اگر دیود زنر بایاس مستقیم شود، مانند یک دیود عادی، جریان را عبور می‌دهد، اما اگر بایاس معکوس شود و ولتاژ بایاس معکوس، بیشتر از ولتاژ زنر باشد، جریان را در خلاف جهت عادی هدایت می‌کند. دیود زنر همیشه در جهت عکس وصل می‌شود، زیرا به‌طور ویژه برای کار در جهت معکوس طراحی شده است.

ولتاژ شکست یک دیود زنر، با کنترل سطح آلاییدگی توسط سازنده و با دقت تنظیم می‌شود. این نوع دیود، به‌افتخار فیزیکدان آمریکایی، «کلارنس ملوین زنر» (Clarence Melvin Zener) که اثر زنر را کشف کرد، نامگذاری شده است. دیودهای زنر، از اجزای اصلی مدارهای الکترونیکی هستند و برای محافظت مدار از اضافه‌ولتاژ‌ نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ولتاژ شکست زنر یک دیود زنر، به مقدار ناخالصی آن بستگی دارد. اگر دیود شدیداً آلاییده باشد، شکست زنر در ولتاژهای معکوس پایین رخ می‌دهد. از سوی دیگر، در دیود با ناخالصی کم، شکست زنر در ولتاژهای معکوس بالاتر رخ می‌دهد. دیودهای زنر، در ولتاژهای $$1.8$$

ت $$400$$

ولت موجود هستند.

مشخصه ولتاژ-جریان دیود زنر

مشخصه V-I یک دیود زنر در شکل زیر نشان داده شده است. وقتی ولتاژ بایاس مستقیم به دیود زنر اعمال می‌شود، مانند یک دیود عادی عمل می‌کند. اما اگر ولتاژ بایاس معکوس به آن اعمال کنیم، عملکرد آن دیگر مانند دیود معمولی نخواهد بود.

همان‌گونه که منحنی مشخصه بالا پیداست، با اعمال ولتاژ بایاس معکوس، تا وقتی که ولتاژ کمتر از ولتاژ زنر باشد، یک مقدار کم جریان نشتی عبور خواهد کرد. هنگامی که ولتاژ به ولتاژ‌ زنر برسد، دیود به مقادیر بالای جریان اجازه عبور خواهد داد. در این نقطه، یک افزایش کوچک در ولتاژ، موجب افزایش جریان ناگهانی خواهد شد.

همان‌گونه که می‌بینیم، در محدوده جریان‌های $$I_{Z\left(min\right)}$$

تا $$I_{Z\left(max\right)}$$

ولتاژ‌ تقریباً ثابت است. از این قابلیت کنترلی دیود زنر، برای تنظیم یا پایدارسازی منابع ولتاژ در برابر تغییرات بار یا منبع استفاده می‌شود. نقش یک تنظیم‌کننده، فراهم کردن یک ولتاژ خروجی ثابت برای بار موازی با آن است.

در دیود زنر، جریان الکتریکی از هر دو سمت آند به کاتد و کاتد به آند عبور می‌کند. همان‌طور که می‌بینیم، نماد دیود زنر، شبیه دیود معمولی است، با این تفاوت که خط عمودی آن، در دو انتها خم شده است.

تنظیم ولتاژ با دیود زنر

همان‌طور که گفتیم، می‌توان از دیود زنر به‌عنوان پایدارساز یا تنظیم‌کننده ولتاژ با ریپل کم در شرایط تغییرات جریان بار استفاده کرد. شکل زیر، یک تنظیم‌کننده دیود زنر را نشان می‌دهد. با عبور یک جریان کوچک مربوط به منبع ولتاژ مقاومت محدودکننده $$R_1$$

، دیود زنر جریان کافی را برای نگه داشتن ولتاژ‌ Vo هدایت می‌کند.

در مدار شکل بالا، رابطه زیر برقرار است:

$$V_i=V_R+V_z$$

مقدار $$V_z$$

تقریباً ثابت است. اگر $$V_1$$ افزایش یابد، $$V_R$$

نیز زیاد می‌شود. بنابراین، تغییرات ولتاژ ورودی، به‌جای آنکه به خروجی منتقل شود، در مقاومت نمود پیدا می‌کند. شکل زیر، ولتاژ‌ ورودی و خروجی مدار تنظیم ولتاژ را نشان می‌دهد.

در ادامه، برخی از مزایا و کاربردهای دیود زنر را بیان می‌کنیم.

مزایای دیود زنر

• ظرفیت توان بسیار بالا
• دقت زیاد
• اندازه کوچک
• هزینه پایین

کاربردهای دیود زنر

• معمولاً به‌عنوان مرجع ولتاژ استفاده می‌شوند.
• در پایدارسازهای ولتاژ یا تنظیم‌کننده‌های شنت مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• در عملیات کلیدزنی (سوئیچینگ) استفاده می‌شوند.
• در مدارهای برشگر و گیرشی (جهشی) به‌کار می‌روند.
• در مدارهای حفاظتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.