Diodă Zener

O diodă Zener cu semiconductor , sau o diodă Zener ,  este o diodă semiconductoare care funcționează sub polarizare inversă în modul de defalcare [1] . Înainte de apariția defecțiunii, curenții de scurgere nesemnificativi trec prin dioda zener, iar rezistența acesteia este foarte mare [1] . Când are loc o defecțiune, curentul prin dioda zener crește brusc, iar rezistența diferențială a acesteia scade la o valoare care pentru diferite dispozitive variază de la fracțiuni de ohm la sute de ohmi [1] . Prin urmare, în modul de avarie, tensiunea de pe dioda zener este menținută cu o precizie dată într-o gamă largă de curenți inversi [2] .

Scopul principal al diodelor zener este stabilizarea tensiunii [1] [2] . Diode Zener seriale sunt fabricate pentru tensiuni de la 1,8 V la 400 V [3] . Diodele zener integrale cu o structură latentă pentru o tensiune de aproximativ 7 V sunt cele mai precise și mai stabile surse de referință de tensiune în stare solidă : cele mai bune exemple ale acestora se apropie de performanța generală a unui element Weston normal . Un tip special de diode Zener, diode de avalanșă de înaltă tensiune („supresoare de zgomot de impuls tranzitoriu”, „supresoare”, „diode TVS”) sunt utilizate pentru a proteja echipamentele electrice de supratensiuni .

Terminologie și clasificare

În literatura în limba rusă, conceptul de „diodă zener” fără a specifica „semiconductor” se aplică în mod specific diodelor zener cu semiconductor. Este necesară clarificarea dacă este necesar să se opune diodelor Zener semiconductoare diodelor Zener învechite umplute cu gaz de strălucire și descărcare corona . Catodul diodei Zener este terminalul în care curge curentul invers (regiunea n a joncțiunii pn polarizate invers ), anodul  este terminalul de la care curge curentul de defectare (regiunea p a joncțiunii pn) . Diodele Zener cu doi anozi (două fețe) constau din două diode Zener conectate în serie în direcții opuse, „catod la catod” sau „anod la anod”, ceea ce este echivalent din punctul de vedere al utilizatorului.

Diodele zener semiconductoare au intrat în practica industrială în a doua jumătate a anilor 1950. În trecut, în nomenclatura diodelor zener se distingeau grupuri funcționale [4] , care ulterior și-au pierdut semnificația, iar diodele zener moderne cu semiconductori sunt clasificate în funcție de scopul lor funcțional în:

• Diode zener discrete de uz general - putere și putere redusă. În URSS, diodele zener au fost clasificate în funcție de puterea disipată în patru grupe: 0-0,3 W , 0,3-5 W, 5-10 W și peste 10 W [5] ;
• Diode Zener de precizie, inclusiv diode Zener compensate termic și diode Zener cu structură ascunsă ;
• Supresoare de zgomot de impuls ("diode limitatoare", "supresoare", "diode TVS") [6] .

Numele „diodă Zener” (hârtie de calc din dioda zener engleză , numită după descoperitorul defalcării tunelului Clarence Zener ), conform GOST 15133-77 „Dispozitive semiconductoare. Termeni și definiții”, nu este permisă în literatura tehnică [7] . În literatura engleză, cuvântul stabilitron sau stabilotron este folosit pentru a se referi la o diodă zener, un tip de tub generator de vid cu microunde  care nu a devenit larg răspândit [8] [9] , și conceptul de diodă zener sau zener („dioda Zener” ) se aplică diodelor zener de toate tipurile, indiferent de care mecanismul de defalcare (Zener sau avalanșă) predomină într-un anumit dispozitiv [10] . Dioda de avalanșă în limba engleză („dioda de avalanșă”) este aplicată oricăror diode de avalanșă, în timp ce în literatura rusă dioda de avalanșă sau „dioda de limitare” conform GOST 15133-77 [11]  este o subclasă definită restrâns a unei diode zener cu un mecanism de defectare a avalanșelor, conceput pentru protecția echipamentelor electrice la supratensiune. Diodele de limitare nu sunt proiectate pentru transmiterea continuă a curenților relativ mici, ci pentru transmiterea pe termen scurt a impulsurilor de curent cu o putere de zeci și sute de A. Așa-numitele "diode de avalanșă de joasă tensiune" ( în engleză  avalanșă de joasă tensiune , LVA) , dimpotrivă, sunt concepute pentru a funcționa în mod continuu. Acestea sunt diode Zener de putere mică, cu rezistență diferențială neobișnuit de scăzută ; în practica industrială, distincția dintre ele și diodele zener „obișnuite” a fost ștearsă [12] .

Unele „diode zener de precizie” poartă denumiri specifice dispozitivelor discrete, dar sunt în realitate circuite integrate complexe . Atât diodele zener, cât și banda interzisă pot servi ca surse interne de tensiune de referință pentru astfel de microcircuite . De exemplu, o „diodă zener de precizie” cu doi pini 2C120 (analog cu AD589) este o bandgap Brokaw . Schema bloc a cipului TL431 arată o diodă zener, dar în realitate TL431 este un bandgap Widlar [13] [14] .

Diodele cu avalanșă, diodele tunel și stabistorii nu sunt diode zener . Stabistorii sunt diode de putere redusă concepute pentru a funcționa cu curent continuu în regulatoarele de tensiune și ca senzori de temperatură. Caracteristicile stabistorilor în conexiunea inversă nu au fost standardizate, iar furnizarea unei polarizări inverse a stabistorului a fost permisă doar „în timpul proceselor tranzitorii de pornire și oprire a echipamentului” [15] . Diodele inversate din diverse surse sunt definite atât ca o subclasă de diode Zener [16] , cât și ca o subclasă de diode tunel [17] . Concentrația de dopanți în aceste diode este atât de mare încât ruperea tunelului are loc la tensiune inversă zero. Datorită proprietăților lor fizice speciale și domeniului îngust, ele sunt de obicei considerate separat de diodele zener și sunt indicate pe diagrame cu un simbol special, diferit de diodele zener [16] [18] .

Cum funcționează

O diodă zener cu semiconductor este o diodă proiectată să funcționeze în modul de avarie pe ramura inversă a caracteristicii curent-tensiune . Într-o diodă căreia i se aplică o tensiune inversă sau de blocare, sunt posibile trei mecanisme de avarie: spargerea tunelului , avalanșa și defectarea din cauza instabilității termice - auto-încălzire distructivă prin curenții de scurgere. Defalcarea termică este observată în diodele redresoare , în special în cele cu germaniu , iar pentru diodele zener cu siliciu nu este critică. Diodele Zener sunt proiectate și fabricate în așa fel încât fie tunelarea, fie defalcarea în avalanșă, sau ambele fenomene împreună să apară cu mult înainte ca condițiile preliminare pentru defalcarea termică să apară în cristalul diodei [20] . Diodele Zener seriale sunt fabricate din siliciu , există și dezvoltări promițătoare ale diodelor Zener din carbură de siliciu și arseniură de galiu [21] .

Primul model de avarie electrică a fost propus în 1933 de Clarence Zener, care lucra la acea vreme la Universitatea din Bristol [22] . „Theory of Electrical Breakdown in Solid Dielectrics ” a fost publicată în vara anului 1934 [23] . În 1954, Kenneth McKay de la Bell Labs a descoperit că mecanismul de tunel propus de Zener funcționează doar la tensiuni de ruptură de până la aproximativ 5,5 V, iar la tensiuni mai mari, mecanismul de avalanșă predomină [22] . Tensiunea de defalcare a unei diode zener este determinată de concentrațiile de acceptori și donatori și de profilul de dopaj al regiunii de joncțiune pn . Cu cât concentrația de impurități este mai mare și cu atât gradientul lor în joncțiune este mai mare, cu atât intensitatea câmpului electric în regiunea de încărcare a spațiului este mai mare la o tensiune inversă egală și cu atât tensiunea inversă la care are loc defectarea este mai mică:

• O defecțiune a tunelului, sau Zener, are loc într-un semiconductor numai atunci când intensitatea câmpului electric în joncțiunea pn atinge un nivel de 10 6 V/cm. Astfel de niveluri de tensiune sunt posibile numai în diodele puternic dopate (structuri de tip p + -n + ) cu o tensiune de defalcare de cel mult șase ori banda interzisă (6 E G ≈ 6,7 V), în timp ce în intervalul de la 4 E G la 6 E G (4,5 ... 6,7 V) defalcarea tunelului coexistă cu avalanșa, iar la o tensiune de rupere mai mică de 4 E G (≈4,5 V) o deplasează complet. Odată cu creșterea temperaturii de joncțiune, banda interzisă, și odată cu aceasta și tensiunea de defalcare, scade: diodele zener de joasă tensiune cu predominanța defalcării tunelului au un coeficient de temperatură negativ al tensiunii (TKV) [24] .
• În diodele cu niveluri de dopaj mai mici sau cu gradiente de dopant mai mici și, ca urmare, cu tensiuni de defalcare mai mari, se observă un mecanism de defectare a avalanșelor. Apare la concentrații de impurități care corespund aproximativ unei tensiuni de defalcare de 4 E G (≈4,5 V), iar la tensiuni de rupere peste 4 E G (≈7,2 V), înlocuiește complet mecanismul de tunel. Tensiunea la care are loc o defalcare de avalanșă crește odată cu creșterea temperaturii, iar cea mai mare valoare a defalcării TC este observată în joncțiunile cu dopate scăzute, relativ înalte [25] .

Mecanismul de defalcare al unei anumite probe poate fi determinat aproximativ, de tensiunea de stabilizare, și mai exact, de semnul coeficientului său de temperatură [26] . În „zona gri” (vezi figura), în care ambele mecanisme de defalcare concurează, TKN poate fi determinat doar empiric. Sursele diferă în estimările exacte ale lățimii acestei zone: S. M. Zee indică „de la 4  E G la 6 E G ” (4,5 ... 6,7 V), autorii dicționarului „Electronică” - „de la 5 la 7 V” [ 9] , Linden Harrison - „de la 3 la 8 V” [27] , Irving Gottlieb trasează o limită superioară la nivelul de 10 V [10] . Diodele de avalanșă de joasă tensiune (LVA) pentru tensiuni de la 4 la 10 V sunt o excepție de la regulă: au doar mecanism de avalanșă [12] .

Setul optim de caracteristici al diodei zener este realizat în mijlocul „zonei gri”, cu o tensiune de stabilizare de aproximativ 6 V. Ideea nu este atât de mult încât datorită compensării reciproce a TKN a tunelului și a avalanșei mecanismelor, aceste diode zener sunt relativ stabile termic, dar au cea mai mică stabilizare tehnologică a împrăștierii tensiunii și cea mai mică, ceteris paribus, rezistență diferențială [28] . Cel mai prost set de caracteristici - un nivel ridicat de zgomot, o răspândire mare a tensiunilor de stabilizare, rezistență diferențială mare - este caracteristic diodelor zener de joasă tensiune la 3,3-4,7 V [29] .

Producție

Diodele Zener de putere sunt fabricate din siliciu monocristal folosind aliaje de difuzie sau tehnologie plană , cele de putere redusă - folosind tehnologia plană, mai rar mesa . Procesul cu diode planare folosește două sau trei fotolitografii . Prima fotolitografie deschide ferestre largi pe suprafața oxidului de protecție, în care se introduce apoi un dopant. În funcție de profilul de dopaj necesar, pot fi utilizate procese de implantare ionică , depunere chimică de vapori și difuzie dintr-un mediu gazos sau dintr-o peliculă de suprafață. După introducerea inițială a impurității, aceasta este condusă din stratul de suprafață adânc în cristal, la o temperatură de 1100–1250°C. Apoi, se efectuează o operație de gettering  - expulzarea defectelor de suprafață în adâncimea cristalului și pasivizarea suprafeței sale. Gettering și pasivizarea nu numai că reduc zgomotul zener , dar și îi sporesc radical fiabilitatea prin eliminarea cauzei principale a defecțiunilor aleatorii - defectele de suprafață. A doua fotolitografie deschide ferestre pentru depunerea primului strat subțire de metalizare anodică. După aceasta, dacă este necesar, se efectuează depunerea prin fascicul de electroni a stratului principal de metalizare a anodului, a treia fotolitografie și depunerea cu fascicul de electroni a metalului din partea catodului [31] .

Napolitanele sunt transportate la o fabrică de asamblare unde sunt tăiate în cristale individuale . Asamblarea diodelor zener în pachete de tranzistori ( SOT23 , TO220 , etc.) și microcircuit ( DIP , SOIC , etc.) se realizează folosind tehnologii de ambalare convenționale . Asamblarea în vrac a diodelor, inclusiv a diodelor Zener, în pachete cu doi pini cu cabluri flexibile poate fi efectuată în două moduri [30] :

• Diodele din carcase de plastic (Surmetic) sunt asamblate în două etape. În primul rând, mașina de asamblare lipește cristalul de siliciu ("tableta") al diodei cap la cap la capetele lărgite ale cablurilor. Concluziile sunt realizate din cupru, iar secțiunea lor transversală este comparabilă cu aria unei tablete de siliciu sau o depășește. Capetele cablurilor sunt turnate în forma unui cap de unghie și sunt de obicei pre- coasilate . După lipirea într-o mașină de asamblare, semifabricatele sunt ambalate în cilindri de plastic sigilați [30] .
• Diodele din carcasele de sticlă DO-35 și DO-41 sunt asamblate într-o singură etapă. Două cleme bimetalice goale, placate cu cositor, sunt introduse între tableta de siliciu și capetele ieșirii flexibile din firul bimetalic . Un tub de sticlă este pus pe piesa de prelucrat asamblată dintr-un cristal, cleme și cabluri - carcasa viitoare. Ansamblul este încălzit într-un cuptor până la punctul de topire a sticlei; în timpul răcirii, sticla se întărește mai întâi, formând o joncțiune ermetică cu metalul plumb, iar apoi lipită [30] .

Într-o versiune mai scumpă a acestei tehnologii, se folosesc trei etape de tratament termic: cristalul este lipit pe suporturi din molibden sau wolfram la temperaturi de cel puțin 700 °C, încapsulat în sticlă, iar abia apoi cablurile sunt lipite [32] . În toate cazurile, cablurile sunt suplimentar cositorite după ce au fost ambalate [30] . Sunt de preferat cablurile de cupru, deoarece elimină mai bine căldura decât cele bimetalice [33] . Prezența în interiorul corpului, pe ambele părți ale unei tablete subțiri de siliciu, a unei mase semnificative de lipire determină principalul mecanism de defecțiune al diodelor zener: un scurtcircuit prin topirea lipirii, iar în diodele zener integrate plane - un scurtcircuit de către topitură de metalizare a aluminiului [34] [35] .

Aplicații

Scopul principal al diodei zener este stabilizarea tensiunii constante a surselor de alimentare. În cea mai simplă schemă a unui stabilizator parametric liniar, dioda zener acționează simultan ca o sursă de tensiune de referință și un element de control al puterii. În circuitele mai complexe, diodei Zener i se atribuie doar funcția de sursă de tensiune de referință, iar un tranzistor de putere extern servește ca element de reglare .

Diodele Zener de precizie compensate termic și diodele Zener cu o structură ascunsă sunt utilizate pe scară largă ca surse de tensiune de referință discrete și integrate (ION), inclusiv în cele mai solicitante circuite de stabilitate a tensiunii de măsurare a convertoarelor analog-digitale . De la mijlocul anilor 1970 până în prezent (2012), diodele zener cu structură ascunsă sunt cele mai precise și mai stabile ION-uri cu stare solidă [37] . Indicatorii de precizie ai standardelor de tensiune de laborator pe diode zener integrate special selectate se apropie de cei ai unui element Weston normal [38] .

Diodele zener de avalanșă cu impulsuri speciale („Supresoare de supratensiune tranzitorie”, „Supresoare”, „diode TVS”) sunt utilizate pentru a proteja echipamentele electrice de supratensiunile cauzate de fulgere și electricitate statică , precum și de supratensiuni la sarcinile inductive . Astfel de dispozitive cu o putere nominală de 1 W pot rezista la impulsuri de curent de zeci și sute de amperi mult mai bine decât diodele zener „obișnuite” de cincizeci de wați [39] . Pentru a proteja intrările instrumentelor electrice de măsurare și porțile tranzistoarelor cu efect de câmp , se folosesc diode zener convenționale de mică putere. În tranzistoarele MIS „inteligente” moderne , diodele zener de protecție sunt realizate pe același cip cu un tranzistor de putere [40] .

În trecut, diodele zener îndeplineau alte sarcini, care ulterior și-au pierdut importanța anterioară:

• Limitare, modelare, selecție amplitudine și detectare a pulsului . Chiar și în epoca tuburilor electronice, diodele zener de siliciu au fost utilizate pe scară largă pentru a limita gama de impulsuri și pentru a converti semnale arbitrare cu forme de undă în impulsuri cu o anumită polaritate [41] [42] . Odată cu dezvoltarea tehnologiei integrate, această funcție a fost preluată de dispozitive comparatoare de mare viteză și apoi de procesoarele de semnal digital .
• Stabilizarea tensiunii AC s-a redus și la limitarea domeniului tensiunii sinusoidale cu o diodă Zener cu două căi. Când tensiunea de intrare s-a schimbat, amplitudinea tensiunii de ieșire a fost menținută constantă, iar valoarea sa efectivă a rămas doar puțin în urmă față de valoarea efectivă a tensiunii de intrare [43] [42] .
• Setarea tensiunii de acționare a releului . Dacă a fost necesară setarea unui prag de releu non-standard, a fost pornită o diodă zener în serie cu înfășurarea sa, ceea ce a adus pragul la valoarea necesară. Odată cu dezvoltarea circuitelor de comutare semiconductoare, domeniul de aplicare al releului s-a restrâns, iar funcția de control al releului a fost preluată de tranzistori și circuite de prag integrate [44] [45] .
• Stabilirea punctelor de funcționare ale treptelor de amplificare. Amplificatoarele cu tuburi din anii 1960 au folosit diode zener ca înlocuitor pentru circuitele RC cu polarizare automată. La frecvențele inferioare ale domeniului audio și la frecvențele subsonice , capacitățile calculate ale condensatorilor unor astfel de circuite au devenit inacceptabil de mari, astfel încât dioda zener a devenit o alternativă economică la un condensator scump [46] [47] .
• Schimbarea nivelurilor între cascade. Schimbarea nivelului în amplificatoarele cu tuburi de curent continuu se facea de obicei cu diode zener umplute cu gaz sau cu lămpi de neon convenționale . Odată cu inventarea diodelor zener semiconductoare, acestea au început să fie folosite în locul celor umplute cu gaz. Soluții similare au fost folosite și în echipamentele cu tranzistori [48] , dar au fost rapid înlocuite de circuite mai avansate de schimbare a nivelului pe tranzistoare.
• Diode Zener cu TKN mare au fost folosite ca senzori de temperatură în circuitele de măsurare a podurilor [49] . Pe măsură ce tensiunile de alimentare și consumul de energie au scăzut, această funcție a fost preluată de diode polarizate direct, circuite PTAT cu tranzistori și circuite integrate bazate pe acestea.

În mediul de simulare SPICE , modelul elementar de diodă zener este utilizat nu numai pentru scopul propus, ci și pentru a descrie modul de defalcare în modelele de tranzistoare bipolare „adevărate”. Standardul pentru modelul SPICE al tranzistorului Ebers-Moll nu ia în considerare modul de avarie [50] .

Principalele caracteristici ale diodei zener

Principalii parametri electrici ai diodei zener indicați în pașaportul său sunt:

• Tensiunea nominală de stabilizare. Tensiunea de stabilizare este selectată de dezvoltator în conformitate cu cerințele circuitului dispozitivului.
• Gama de curenți de funcționare care circulă prin dioda zener (curent minim de stabilizare - curent maxim admisibil). Curentul prin dioda Zener este determinat de circuitul extern, în raport cu dioda Zener, circuitul de comutare al diodei Zener. Pentru a respecta acuratețea de pe plăcuța de identificare a tensiunii de stabilizare, curentul care circulă prin dioda zener nu trebuie să fie mai mic decât curentul minim de stabilizare. Pentru a preveni distrugerea dispozitivului, curentul nu trebuie să depășească curentul maxim admisibil.
• Puterea maximă disipată de dioda zener. Pentru a preveni distrugerea dispozitivului, puterea disipată pe dispozitiv nu trebuie să depășească acest parametru. Puterea disipată pe dispozitiv este o valoare calculată egală cu produsul dintre tensiunea de pe dioda Zener și curentul prin dioda Zener. Pentru diodele Zener de putere redusă, puterea maximă disipată este o valoare de pașaport. Pentru diode Zener puternice, puterea maximă este determinată de un radiator suplimentar, în acest caz, pentru a calcula condițiile de răcire, pașaportul specifică astfel de parametri ai diodei Zener, cum ar fi temperatura maximă a cristalului și rezistența termică a carcasei de cristal.

Pe lângă parametrii principali, există o serie de parametri care descriu abaterile tensiunii de stabilizare a unui dispozitiv real sub influența diverșilor factori. De exemplu, toleranța tensiunii de reglare , rezistența diferențială, coeficientul de temperatură al tensiunii de reglare, deriva pe termen lung și zgomotul tensiunii de reglare. Acești parametri trebuie luați în considerare la construirea circuitelor cu cerințe sporite de precizie. În unele aplicații, comportamentul dispozitivului în timpul schimbărilor bruște de curent prin acesta, așa-numiții parametri dinamici ai diodei zener, pot fi importanți.

Curenți și tensiuni de stabilizare

GOST 25529-82 „Diode semiconductoare. Termenii, definițiile și denumirile de litere ale parametrilor ” definește curentul de stabilizare ( I st ) și tensiunea de stabilizare ( U st ) a diodei zener ca valori ale tensiunilor și curenților constante în modul de stabilizare [51] . Modul de stabilizare este posibil într-o gamă destul de largă de curenți și tensiuni, prin urmare, documentația tehnică indică valorile minime și maxime admise ale curenților ( I st.min , I st.max ) și tensiunilor ( U st . .min , U st.max ) stabilizare. În aceste intervale se află valorile nominale I st și U st alese de producător . Curentul minim de stabilizare este de obicei egal cu curentul la ieșirea zonei de fractură caracteristică I–V inversă, maximul este limitat de puterea disipată admisă, iar curentul nominal este de obicei setat la 25 până la 35% din maxim [52 ] . Curenții minimi ai diodelor de avalanșă de joasă tensiune sunt măsurați în unități și zeci de microamperi [53] , curenții minimi ai diodelor zener „obișnuite” se măsoară în unități de miliamperi.

De exemplu, tensiunea nominală a diodei zener sovietice 2S133V, după cum rezultă din denumirea sa , este de 3,3 V, iar curentul de stabilizare nominal - curentul la care sunt măsurate caracteristicile sale pașaport - este de 5 mA. Curentul minim de stabilizare pentru toate temperaturile de funcționare (-60 ... +125 ° C) este setat la 1 mA, maximul depinde de temperatură și presiunea atmosferică . La presiunea atmosferică normală și o temperatură care nu depășește +35 °C, curentul nu trebuie să depășească 37,5 mA, iar la +125 °C - 15 mA. Când presiunea scade la 665 Pa (5 mm Hg , sau 1/150 din presiunea atmosferică normală), curenții maximi sunt înjumătățiți din cauza celei mai slabe eliminări de căldură într-un mediu rarefiat. Distribuția tensiunii de stabilizare a pașaportului ( U st.min ... U st.max ) a acestui dispozitiv este normalizată pentru un curent de 5 mA și patru temperaturi diferite de la -60 ° C la +125 ° C. La -60 °C, împrăștierea tensiunii este de 3,1 ... 3,8 V, la +125 ° C - 2,8 ... 3,5 V [54] .

Rezistență diferențială

Rezistența diferențială sau dinamică a unei diode zener este egală cu raportul dintre creșterea tensiunii de stabilizare și creșterea curentului de stabilizare într-un punct cu un curent de stabilizare dat (de obicei nominal) [56] . Determină instabilitatea dispozitivului prin tensiunea de alimentare (la intrare) și prin curentul de sarcină (la ieșire). Pentru a reduce instabilitatea de intrare, diodele Zener sunt alimentate de la surse de curent continuu, pentru a reduce instabilitatea de ieșire, un amplificator tampon de curent continuu este conectat între dioda Zener și sarcina de pe un emițător urmăritor sau amplificator operațional sau este utilizat un circuit de diodă Zener compus [57] . Teoretic, rezistența diferențială a diodei zener scade odată cu creșterea curentului de stabilizare. Această regulă, formulată pentru condiția unei temperaturi constante a joncțiunii pn, este valabilă în practică numai în regiunea curenților de stabilizare scăzut. La curenți mai mari, încălzirea inevitabilă a cristalului duce la creșterea rezistenței diferențiale și, ca urmare, la o creștere a instabilității stabilizatorului [58] .

Pentru o diodă Zener de putere mică 2S133V, rezistența diferențială la un curent de stabilizare minim de 1 mA este de 680 ohmi, iar la un curent nominal de 5 mA și temperaturi de la -60 la +125 ° C nu depășește 150 ohmi [59] . Diodele zener de putere mai mare pentru aceeași tensiune nominală au rezistență diferențială mai mică, de exemplu, KS433A  - 25 ohmi la 30 mA. Rezistența diferențială a diodelor de avalanșă de joasă tensiune (LVA) este cu aproximativ un ordin de mărime mai mică decât în ​​cazul diodelor zener „obișnuite”: de exemplu, pentru LVA351 (tensiune 5,1 V, putere 400 mW) nu depășește 10 ohmi la un curent de 10 mA [60] . În cadrul fiecărei familii de diode Zener (de aceeași putere maximă), cele mai mici valori absolute ale rezistenței diferențiale la un curent dat sunt diode Zener pentru o tensiune de 6 V [61] .

Coeficientul de temperatură al tensiunii

GOST definește coeficientul de temperatură al tensiunii ca „raportul dintre modificarea relativă a tensiunii de stabilizare și modificarea absolută a temperaturii ambientale” la un curent de stabilizare constant dat [62] . TKN-ul diodelor obișnuite, necompensate termic, la curenții lor nominali, este pentru diodele Zener de defectare a tunelului ( U st <4 E g ) de la -0,05 la -0,1% / ° C și pentru diodele Zener de defectare a avalanșelor ( U st < 4 Eg ) de la 0,05 la 0,1%/°C. Cu alte cuvinte, atunci când dioda zener este încălzită de la +25 °C la +125 °C, deplasarea tensiunii de stabilizare va fi de la 5 la 10% din valoarea inițială.

În zona curenților mici și medii, pe caracteristicile curent-tensiune ale diodelor zener pentru o tensiune de 4,5 ... 6,5 V [63] , se poate găsi un punct (valoarea curentului I TK0 și tensiunea U TK0 ), în care coeficientul de temperatură este aproape de zero. Dacă curentul unei astfel de diode zener este stabilizat de o sursă de curent externă la un nivel exact egal cu I TK0 , atunci tensiunea de pe dioda zener, egală cu U TK0 , este practic independentă de temperatură. Această abordare este utilizată în sursele de referință de tensiune Zener integrale , dar nu este aplicabilă dispozitivelor bazate pe diode Zener discrete. Valoarea exactă a lui I TK0 poate fi determinată numai empiric, ceea ce este inacceptabil în condiții de producție în masă [64] . Diodele Zener pentru tensiuni mai mici de 4,5 V au, de asemenea, un punct de zero TKV, dar este în afara zonei sigure de operare [63] . Diodele Zener pentru tensiuni de peste 6,5 V au un TKN pozitiv (diferit de zero) pe întregul domeniu de curent [63] .

Deriva și zgomot

În documentația de referință pentru diodele zener convenționale, de non-precizie, indicatorii de deriva și de zgomot nu sunt de obicei indicați. Pentru diodele zener de precizie, dimpotrivă, aceștia sunt cei mai importanți indicatori împreună cu răspândirea inițială și TKN [65] . Nivelul ridicat de zgomot al diodelor zener convenționale se datorează concentrației mari de impurități și defectelor rețelei în regiunea joncțiunii pn. Pasivarea de protecție cu oxid sau sticlă , în care aceste impurități sunt împinse din straturile apropiate de suprafață în grosimea cristalului, reduce zgomotul doar parțial [66] . O modalitate radicală de a reduce zgomotul - împingerea adânc în cristal, nu impuritățile, ci joncțiunea pn în sine - este folosită în diodele Zener cu zgomot redus, cu o structură ascunsă . Cele mai bune mostre de astfel de dispozitive au un interval de zgomot de joasă frecvență (0,1-10 Hz) de cel mult 3 µV, cu o deplasare pe termen lung de cel mult 6 µV în primele 1000 de ore de funcționare [67] [68] .

Cel mai mare nivel de zgomot al diodei zener este observat în regiunea ruperii caracteristicii curent-tensiune. Curbele de înaltă rezoluție luate instrumental arată că caracteristicile IV ale fracturii nu sunt netede, ci trepte; deplasările aleatorii ale acestor pași și tranzițiile aleatorii ale curentului de la pas la pas generează așa-numitul zgomot de microplasmă . Acest zgomot are un spectru apropiat de zgomotul alb în banda de frecvență 0-200 kHz. La trecerea din regiunea ruperii în caracteristicile I–V în regiunea curenților de stabilizare, nivelul acestor zgomote scade brusc [69] .

Performanță dinamică

Frecvența de comutare a unei diode zener de uz general este de obicei mai mică de 100 kHz [70] . Defectarea nu are loc instantaneu, iar timpul de răspuns depinde atât de mecanismul de defectare predominant, cât și de designul diodei zener. În timpul acestui proces, tensiunea pe dioda zener poate depăși valoarea sa nominală de stabilizare. Gama de frecvență a circuitelor de comutare pe diodele Zener poate fi extinsă prin includerea unei diode cu impuls rapid în serie cu dioda Zener. Când tensiunea de pe lanțul diodă Zener scade, dioda se închide mai întâi, împiedicând descărcarea capacității diodei Zener. Sarcina acestei capacități menține tensiunea de stabilizare pe dioda zener pentru o perioadă lungă de timp, adică dioda zener nu se închide niciodată [70] .

Zonă de lucru sigură

„Istoria a arătat că principala cauză a defectării diodei este depășirea sarcinilor electrice și termice admise.” Ghidul NASA
Semiconductor [71]

Zona de funcționare sigură a unei diode Zener este limitată de o serie de parametri, dintre care cei mai importanți sunt valorile maxime ale curentului continuu, curent pulsat, temperatura joncțiunii pn (+150 °C pentru SOT-23). pachet, +175 °C pentru pachetul DO-35, +200 °C pentru pachetul DO-41 [72] ) și puterea disipată. Toate aceste restricții trebuie îndeplinite simultan, iar nerespectarea a cel puțin una dintre ele duce la distrugerea diodei zener [73] .

Limitele de curent și putere sunt evidente, iar limita de temperatură necesită o estimare a puterii admisibile la care temperatura calculată a joncțiunii pn nu va depăși maximul admis. În documentația tehnică, o astfel de evaluare este de obicei dată sub forma unui grafic al puterii admisibile P față de temperatura ambiantă T a . Dacă nu există un astfel de program, puterea admisă trebuie estimată folosind formula pentru temperatura de joncțiune T j :

unde R ja  este rezistența termică dintre joncțiunea pn și mediu (aer) pentru puterea disipată continuu [74] . O valoare tipică pentru această valoare pentru o diodă Zener de putere mică, cum ar fi seria NZX, este de 380 °C/W [75] . Puterea la care temperatura calculată nu va depăși limita stabilită de +175 °C [75] este limitată de valoarea

Pentru o temperatură ambientală estimată de +50 °C, puterea calculată este de numai 330 mW - o dată și jumătate mai mică decât puterea maximă a pașaportului de 500 mW [75] .

Natura și cauzele defecțiunilor

Un scurtcircuit catastrofal poate fi cauzat nu numai prin trecerea dincolo de regiunea de operare sigură, ci și prin difuzia lentă a atomilor dopanți în joncțiunea pn. La diodele Zener de putere cu fixare cu arc a unuia dintre cablurile la cristal, se observă deteriorarea mecanică a cristalului în zona de contact cu arcul. Dacă o fisură sau abraziune a cristalului ajunge în zona de joncțiune pn, atunci este posibil atât un scurtcircuit catastrofal, cât și unul intermitent, „rătăcitor”, precum și o scădere stabilă a tensiunii de stabilizare [22] .

Îmbătrânirea diodelor zener se poate manifesta sub forma unei derive crescute a curenților, tensiunilor și rezistenței diferențiale. Deriva curentului în timpul funcționării pe termen lung se explică prin acumularea de contaminanți în zona de joncțiune pn, în stratul protector de oxid și pe suprafața acestuia. Deviația curentului în timpul testării la umiditate ridicată se datorează scurgerii carcasei diodei Zener. Derivarea rezistenței de ieșire, însoțită de obicei de un nivel de zgomot crescut, este asociată cu o deteriorare a contactului electric dintre cristal și cabluri [22] .

Diode zener de precizie

Diodă Zener compensată termic

O diodă Zener compensată termic - un lanț de diode Zener conectate în serie cu o tensiune nominală de aproximativ 5,6 V și o diodă polarizată direct - a intrat în practica dezvoltatorilor la sfârșitul anilor 1960 [76] . Până în anii 2000, diodele Zener compensate termic au fost înlocuite cu surse de referință de tensiune integrate , care au asigurat o mai bună acuratețe și stabilitate la curenți și tensiuni de alimentare mai mici [77] .

În vecinătatea tensiunii de 5,6 V, mecanismul de defalcare a avalanșei prevalează asupra celui tunel, dar nu îl suprimă, iar coeficientul său de temperatură are o valoare pozitivă stabilă de aproximativ +2 mV/°C. TEC al unei diode direct la temperaturi și curenți de funcționare normale este de aproximativ -2 mV/°C. Când o diodă Zener și o diodă sunt conectate în serie, coeficienții lor de temperatură sunt compensați reciproc: instabilitatea absolută a temperaturii unui astfel de lanț poate fi de numai 5 mV în intervalul -55...+100 °C sau 2 mV în intervalul de 0…+75 °C [78] . TKN normalizat al unor astfel de dispozitive poate fi de până la 0,0005%/°C sau 5 ppm /°C [79] . Dioda unei diode Zener compensate termic poate fi o a doua diodă Zener conectată în direcția opusă. Astfel de dispozitive simetrice cu doi anozi, capabile să funcționeze cu oricare polaritate a tensiunii, sunt de obicei optimizate pentru funcționarea la un curent nominal de 10 mA [80] , sau pentru un curent tipic pentru această familie de diode Zener (7,5 mA pentru un cu doi anozi). 1N822 din seria standard 1N821-1N829 [81 ] ). Dacă dioda unei diode Zener compensate termic nu este o diodă Zener, ci o diodă „simplu” cu o tensiune de defalcare nenormalizată, atunci funcționarea dispozitivului pe ramura directă a caracteristicii curent-tensiune, de regulă, nu este permis [82] .

Tensiunea nominală de stabilizare a unei diode zener tipice compensate termic este de 6,2 sau 6,4 V cu o extindere de ± 5% (în serii speciale ± 2% sau % ± 1%) [78] . În nomenclatura străină, trei serii de șase volți sunt cele mai comune pentru curenții nominali de 0,5 mA (1N4565-1N4569), 1,0 mA (1N4570-1N4574) și 7,5 mA (1N821-1N829) [83] . Curenții nominali ai acestor serii corespund curentului de zero TKN; la curenți mai mici TKN este negativ, la curenți mai mari este pozitiv. Rezistența diferențială a dispozitivelor pentru 7,5 mA este de 10 sau 15 ohmi [81] , dispozitivele pentru 0,5 mA - nu mai mult de 200 ohmi [84] . În documentația tehnică, aceste caracteristici ale structurii interne nu sunt de obicei dezvăluite: diodele zener compensate termic sunt enumerate în cărțile de referință în mod egal cu cele convenționale sau sunt alocate unei subclase separate de „diode zener de precizie” [85] . Pe diagramele de circuit, ele sunt notate cu același simbol ca și diodele zener convenționale [86] .

Hidden Structure Zener Diode

Curentul de defalcare al unei diode zener planare convenționale este concentrat în stratul apropiat de suprafață de siliciu - în stratul cu concentrația maximă de defecte și impurități ale rețelei. Aceste impurități și defecte sunt cele care cauzează instabilitatea și zgomotul diodei zener. Performanța sa poate fi îmbunătățită dacă curentul de defalcare este „condus” adânc în cristal, în structura ascunsă a joncțiunii pn cu o tensiune de defalcare mai mică decât în ​​stratul apropiat de suprafață. În tehnologia epitaxială clasică, la locul viitoarei diode zener se formează o insulă adâncă de conductivitate de tip p + și apoi se realizează difuzia obișnuită a straturilor de bază (p - ) și emițător (n + ). Emițătorul structurii diodei create devine catodul diodei zener, baza devine anodul. În stratul de suprafață, această tranziție are un profil de conductivitate n + -p - , iar în partea de jos a regiunii de bază - n + -p + . O joncțiune n + -p + puternic dopată are o tensiune de rupere mai mică decât în ​​stratul n + -p - - aproape de suprafață , astfel încât întregul curent invers al diodei zener se află în partea de jos a regiunii de bază [87] .

Primul circuit integrat Zener cu strat ascuns, LM199, a fost lansat în 1976, iar recordul absolut pentru totalitatea caracteristicilor de precizie aparține LTZ1000 lansat în 1987 [37] . LTZ1000-urile selectate sunt utilizate în cele mai precise standarde de tensiune în stare solidă Fluke , care pretind instabilitate în timp de 1 ppm/an și 0,1 ppm/°C TSV [38] [88] . LM199, LTZ1000 și omologii lor au o topologie concentrică caracteristică. O diodă zener este situată în centrul cristalului, tranzistoarele sunt direct adiacente acesteia - senzori de temperatură și o bobină de încălzire este „așezată” în jurul lor, realizată de asemenea folosind tehnologia plană. Un regulator de temperatură extern sau încorporat menține o temperatură ridicată stabilă a cristalului. Astfel de circuite integrate au valori scăzute record ale TKN (LM199 - 0,3 ppm/°C, LTZ1000 - 0,05 ppm/°C [89] ), zgomot (LTZ1000 - 1,2 µV pk-pk [89] ) și pe termen lung deriva (LTZ1000 - 2 µV/1000h [89] ). Indicatorii declarați se realizează numai cu controlul atent al temperaturii și ecranarea circuitului și stabilizarea rigidă a curentului diodei zener.

Circuite de comutare cu diode Zener

Circuit regulator paralel de bază

Cel mai simplu regulator paralel constă dintr-un rezistor de balast conectat în serie între sursa de alimentare și sarcină și o diodă Zener care devia sarcina la un fir comun („la masă”). Poate fi considerat ca un divizor de tensiune , care folosește o diodă Zener ca braț inferior. Diferența dintre tensiunea de alimentare și tensiunea de defalcare a diodei Zener cade pe rezistorul de balast, iar curentul de alimentare care trece prin acesta se ramifică în curentul de sarcină și curentul diodei Zener. Stabilizatoarele de acest fel se numesc parametrice: stabilizează tensiunea datorită neliniarității caracteristicii curent-tensiune a diodei zener și nu folosesc circuite de feedback [90] .

Calculul unui stabilizator parametric pe diodele zener semiconductoare este similar cu calculul unui stabilizator pe dispozitivele umplute cu gaz, cu o diferență semnificativă: diodele zener umplute cu gaz sunt caracterizate de histerezis de tensiune de prag . Cu o sarcină capacitivă, dioda zener umplută cu gaz este autoexcitată , prin urmare, modelele unor astfel de stabilizatori de obicei nu conțin filtre capacitive, iar proiectantul nu trebuie să ia în considerare tranzitorii în aceste filtre. Nu există histerezis în stabilizatorii pe diodele zener semiconductoare, condensatorii de filtru sunt conectați direct la bornele diodei zener și sarcina - ca urmare, proiectantul trebuie să țină cont de supratensiunile de curent de încărcare (descărcare) ale acestor condensatoare atunci când puterea este pornit (oprit). Cele mai grave cazuri în care este probabil defectarea elementelor stabilizatoare sau defecțiunea stabilizarii sunt:

• Furnizarea tensiunii de alimentare maxime posibile la intrarea stabilizatorului în cazul unui scurtcircuit al ieșirii stabilizatorului la un fir comun - de exemplu, în timpul încărcării unui condensator descărcat conectat direct la ieșirea stabilizatorului sau în cazul în care a unei defecțiuni catastrofale a diodei zener [91] . Puterea de disipare admisă a rezistenței de balast trebuie să fie suficientă pentru a rezista unui astfel de scurtcircuit. În caz contrar, este probabilă distrugerea rezistenței de balast.
• Furnizarea tensiunii de alimentare maxime posibile la intrarea stabilizatorului atunci când sarcina este deconectată de la ieșirea stabilizatorului. Curentul admisibil al diodei zener trebuie să depășească curentul calculat prin rezistorul de balast, determinat de legea lui Ohm. În caz contrar, când cristalul diodei zener este încălzit peste +175 ° C, dioda zener este distrusă. Respectarea zonei de funcționare sigură a pașaportului este la fel de importantă pentru diodele zener ca și pentru tranzistori [92] .
• Selectarea de către sarcină a curentului maxim posibil atunci când tensiunea de alimentare minimă posibilă este aplicată la intrarea stabilizatorului. Rezistența rezistorului de balast trebuie să fie suficient de mică, astfel încât, chiar și în aceste condiții, curentul prin rezistor să depășească curentul de sarcină cu o cantitate egală cu curentul minim admisibil al diodei zener. În caz contrar, curentul diodei zener este întrerupt, stabilizarea se oprește.

În practică, adesea se dovedește că este imposibil să se îndeplinească toate cele trei condiții, atât din cauza costului componentelor, cât și din cauza gamei limitate de curenți de funcționare a diodei Zener. În primul rând, puteți renunța la condiția protecției la scurtcircuit, încredințând-o siguranțelor sau circuitelor de protecție a tiristoarelor , sau vă puteți baza pe rezistența internă a sursei de alimentare, care nu îi va permite să furnizeze atât tensiunea maximă, cât și curentul maxim. în acelaşi timp [93] .

Conexiune în serie și paralelă

În documentația pentru diodele zener fabricate în străinătate, posibilitatea conexiunii lor în serie sau paralelă nu este de obicei luată în considerare. În documentația pentru diodele zener sovietice, există două formulări:

• pentru dispozitivele de putere mică și medie, „este permisă conectarea în serie sau paralelă a oricărui număr de diode zener” [de o serie] [94] ;
• pentru dispozitivele de putere medie și mare, „este permisă conectarea în serie a oricărui număr de diode zener [din aceeași serie]. Conectarea în paralel este permisă cu condiția ca puterea totală disipată pe toate diodele Zener conectate în paralel să nu depășească puterea maximă admisă pentru o diodă Zener " [95] .

Este posibilă conectarea în serie a diodelor zener de diferite serii, cu condiția ca curenții de funcționare ai circuitului serie să se încadreze în intervalele de curent de stabilizare a pașaportului fiecărei serii utilizate. Nu este necesară derivarea diodelor Zener cu rezistențe de egalizare de înaltă rezistență, așa cum se face în polii redresoare. „Orice număr” de diode Zener conectate în serie este posibil, dar în practică este limitat de specificațiile de siguranță electrică pentru dispozitivele de înaltă tensiune. În aceste condiții, la selectarea diodelor zener conform TKN și controlul temperaturii acestora, este posibil să se construiască standarde de tensiune de înaltă tensiune de precizie . De exemplu, în anii 1990, cei mai buni indicatori de stabilitate din lume aveau un standard zener de 1 milion V, construit de compania rusă Megavolt-Metrology, comandată de Institutul Canadian de Energie IREQ . Eroarea principală a acestei setări nu a depășit 20 ppm , iar instabilitatea temperaturii nu a depășit 2,5 ppm pe întregul interval de temperatură de funcționare [38] .

Diodă Zener compozită

Dacă circuitul necesită curenți și puteri mai mari să fie îndepărtate de la dioda Zener decât este permis conform specificațiilor tehnice, atunci un amplificator tampon DC este pornit între dioda Zener și sarcină . În circuitul „diodă zener compozită”, joncțiunea colectorului unui singur tranzistor de amplificare a curentului este conectată în paralel cu dioda zener, iar joncțiunea emițătorului este în serie cu dioda zener. Rezistența care stabilește polarizarea tranzistorului este aleasă astfel încât tranzistorul să se deschidă lin la un curent de diodă Zener aproximativ egal cu curentul nominal de stabilizare. De exemplu, la I st.nom. =5 mA și Ube.min . \u003d 500 mV rezistență R \u003d 500 mV / 5 mA \u003d 100 Ohm, iar tensiunea la „dioda Zener compozită” este egală cu suma U st.nom. iar U fi.min. . La curenți mai mari, tranzistorul se deschide și oprește dioda Zener, iar curentul diodei Zener crește ușor - cu o cantitate egală cu curentul de bază al tranzistorului, prin urmare, în prima aproximare, rezistența diferențială a circuitului scade cu un factor. de β (β este câștigul de curent al tranzistorului). TKN-ul circuitului este egal cu suma algebrică a TKN-ului diodei zener la I st.nom. și TBC a unei diode polarizate direct (aproximativ -2 mV/°C), iar aria sa de funcționare sigură în practică este limitată de OBR-ul tranzistorului aplicat [96] [97] .

Circuitul diodei zener compozite nu este proiectat să funcționeze pe „curent continuu”, dar este ușor transformat într-o diodă zener cu două căi („diodă zener cu două noduri”) folosind o punte de diode [97] .

Circuit regulator serie de bază

Cel mai simplu circuit regulator în serie conține, de asemenea, doar o diodă Zener, un tranzistor și un balast, dar tranzistorul din el este conectat conform unui circuit colector comun ( emițător urmator ). Coeficientul de temperatură al unui astfel de stabilizator este egal cu diferența algebrică U st.nom. dioda zener si U be.min. tranzistor; pentru a neutraliza influenta Ube.min. în circuitele practice, o diodă VD2 conectată direct este conectată în serie cu o diodă zener [99] . Căderea minimă de tensiune pe tranzistorul de control poate fi redusă prin înlocuirea rezistenței de balast cu o sursă de curent a tranzistorului.

Multiplicarea tensiunii de stabilizare

Pentru a stabiliza o tensiune care depășește tensiunea maximă a diodelor Zener tipice de dimensiuni mici, puteți asambla o „diodă Zener de înaltă tensiune” compozită, de exemplu, trageți o tensiune de 200 V din diodele Zener conectate în serie la 90, 90 și 20 V. Cu toate acestea, tensiunea de zgomot și instabilitatea unui astfel de circuit pot fi inacceptabil de ridicate, iar filtrarea zgomotului unui circuit de înaltă tensiune ar necesita condensatoare scumpe și masive . Un circuit cu multiplicarea tensiunii unei singure diode Zener de joasă tensiune cu zgomot redus cu o tensiune de 5 ... 7 V are caracteristici semnificativ mai bune. În acest circuit, precum și într-o diodă Zener convențională compensată termic, tensiunea de referință este egală cu suma tensiunii de defalcare a diodei zener și a tensiunii de tranziție bază-emițător a tranzistorului bipolar. Factorul de multiplicare al tensiunii de referință este determinat de divizorul R2-R3. Factorul de multiplicare real este ceva mai mare decât cel calculat datorită ramificării curentului în baza tranzistorului [100] .

Din motive de siguranță și ușurință de instalare, este mai convenabil să utilizați un tranzistor pnp într-un stabilizator de tensiune pozitiv și un tranzistor npn într-un stabilizator de tensiune negativ. În aceste configurații, colectorul tranzistorului de putere este conectat electric la masă și poate fi montat direct pe șasiu fără distanțiere izolatoare. Din motive de disponibilitate și cost, este mai ușor și mai ieftin să folosiți tranzistori npn în stabilizatori de orice polaritate. La tensiunile și curenții tipici amplificatoarelor cu tuburi, capacitatea condensatorului care manevrează dioda zener ar trebui să fie de câteva mii de microfaradi . În același timp, nu numai că filtrează zgomotul de joasă frecvență al diodei zener, dar oferă și o creștere lină a tensiunii atunci când circuitul pornește. În consecință, atunci când alimentarea este pornită, sarcina termică asupra rezistenței serie R1 [100] crește .

ION pe o diodă zener compensată termic

Diodele Zener compensate termic sunt de obicei alimentate cu curent continuu de la un tranzistor sau o sursă de curent integrată. Utilizarea unui circuit de bază cu un rezistor de balast nu are sens, deoarece chiar și atunci când circuitul este alimentat de o tensiune stabilizată, instabilitatea curentului va fi inacceptabil de mare. Diodele Zener de curent scăzut pentru un curent de 1 mA sunt de obicei alimentate de la surse de curent pe tranzistoare bipolare, tranzistoare cu efect de câmp cu o joncțiune pn , diode Zener pentru un curent de 10 mA - de la surse de curent pe tranzistoarele MIS cu un incorporat. canal în modul de epuizare. Sursele de curent integrate din familia LM134 / LM334 permit curenți de până la 10 mA, dar nu sunt recomandate pentru utilizare în circuite cu un curent mai mare de 1 mA din cauza instabilității temperaturii ridicate (+0,336% / ° C) [102] .

Sarcinile de înaltă rezistență cu o rezistență constantă, relativ stabilă termic, pot fi conectate direct la bornele diodei Zener. În alte cazuri, un amplificator tampon bazat pe un amplificator operațional de precizie sau pe tranzistoare bipolare discrete este pornit între dioda Zener și sarcină . În circuitele bine proiectate de acest fel, care au suferit antrenament termic electric pe termen lung, instabilitatea în timpul funcționării pe termen lung este de aproximativ 100 ppm pe lună [103]  , ceea ce este semnificativ mai mare decât același indicator al ION-urilor integrale de precizie .

Generator de zgomot alb cu diodă Zener

Zgomotul intrinsec al unei diode zener de avalanșă are un spectru apropiat de cel al zgomotului alb . În diodele zener pentru o tensiune de 9 ... 12 V, nivelul de zgomot este suficient de ridicat pentru a fi utilizat pentru generarea de zgomot țintită. Gama de frecvență a unui astfel de oscilator este determinată de lățimea de bandă a amplificatorului de tensiune și se poate extinde până la sute de MHz. Ilustrațiile de mai jos prezintă două modele posibile de amplificatoare: în primul caz, frecvența de tăiere superioară a amplificatorului (1 MHz) este stabilită de capacitatea C2 [104] , în al doilea caz, este determinată de lățimea de bandă a amplificatoarelor integrate (900 MHz) și calitatea instalării [105] .

Nivelul de zgomot al unei anumite diode zener este puțin previzibil și poate fi determinat doar empiric [105] . Unele dintre primele serii de diode zener erau deosebit de zgomotoase, dar pe măsură ce tehnologia s-a îmbunătățit, au fost înlocuite cu dispozitive cu zgomot redus. Prin urmare, în produsele în serie, este mai justificat să folosiți nu diode Zener, ci tranzistoare bipolare de înaltă frecvență în conexiune inversă, de exemplu, tranzistorul 2N918 dezvoltat în anii 1960 - spectrul său de zgomot se extinde până la 1 GHz [106] .

Jumpere programabile pe diode zener

O diodă Zener bazată pe o joncțiune de emițător polarizat invers a unui tranzistor npn plan integral („diodă Zener de suprafață”) diferă de diodele Zener discrete într-o limită mică a curentului de stabilizare. Curentul invers maxim permis într-o structură tipică de emițător metalizat din aluminiu nu depășește 100 µA. La curenți mai mari, apare un fulger vizibil pentru ochi în stratul apropiat de suprafață și un jumper de aluminiu apare sub stratul de oxid , transformând pentru totdeauna dioda zener moartă într-un rezistor cu o rezistență de aproximativ 1 Ohm [34] [35] .

Acest dezavantaj al diodelor zener integrate este utilizat pe scară largă în producția de circuite integrate analogice pentru reglarea fină a parametrilor acestora. În tehnologia zener zapping , celulele elementare de diodă  zener sunt formate în paralel cu rezistențele comutate. Dacă este necesară ajustarea valorii rezistenței circuitului sau a raportului divizorului de tensiune, celulele diodelor zener inutile sunt arse de impulsuri de curent cu o durată de 5 ms și o putere de 0,3-1,8 A, scurtcircuitând rezistențele corespunzătoare. Aceeași tehnică poate fi aplicată circuitelor integrate digitale cu placare cu aluminiu [34] [35] .

Note

1. ↑ 1 2 3 4 Zee, 1984 , p. 122.
2. ↑ 1 2 GOST 15133-77, 1987 , p. 13, definiția 91.
3. ↑ TVS/Zener Theory and Design, 2005 , p. 7.
4. ↑ Gershunsky și colab., 1975 , p. 235, 237.
5. ↑ Diode, diode zener, tiristoare, 1988 , pp. 11, 12.
6. ↑ Harrison, 2005 , p. 364.
7. ↑ GOST 15133-77, 1987 , p. 13, definiția 91.
8. ↑ Earls, A.R.; Edwards, Compania R.E. Raytheon: Primii șaizeci de ani. - Editura Arcadia, 2005. - P. 84. - 128 p. — ISBN 9780738537474 .
9. ↑ 1 2 Kolesnikov, 1991 , p. 520.
10. ↑ 1 2 Gottlieb, 2002 , p. 331.
11. ↑ GOST 15133-77, 1987 , p. 12, definiția 85.
12. ↑ 1 2 Gottlieb, 2002 , p. 332.
13. ↑ Microcircuite pentru surse de alimentare liniare și aplicarea acestora . - ed. a II-a - Dodeka, 1998. - S.  219 , 220, 225-228. — ISBN 5878350211 .
14. ↑ Pentru o analiză completă a circuitului TL431, a se vedea Basso, C. The TL431 in Switch-Mode Power Supplies loops: part I  // ON Semiconductor . - 2009. Arhivat la 5 septembrie 2012.
15. ↑ Diode, diode zener, tiristoare, 1988 , p. 394-398.
16. ↑ 1 2 Amos, Stanley et al. Dicţionar Newnes de electronică . - Ed. a IV-a .. - Oxford: Newnes / Elsevier, 1999. - S. 22. - 389 p. — ISBN 9780750643313 . Arhivat pe 24 octombrie 2014 la Wayback Machine
17. ↑ Kolesnikov, 1991 , p. 333.
18. ↑ GOST 15133-77, 1987 , p. 11, definiția 75.
19. ↑ Harrison, 2005 , p. 372, fig.13.7.
20. ↑ Zee, 1984 , p. 103-104, 122.
21. ↑ Tsuchida, H.; Nakayama, K.; Sugawara, Y. Diode Zener SiC 20V-400A cu coeficient de temperatură excelent  // Dispozitive semiconductoare de putere și circuite integrate, 2007 (ISPSD '07). - S. 277-280 . — ISBN 1424410967 . - doi : 10.1109/ISPSD.2007.4294986 . , Monakhov, EV, Hornos, T., Svensson, B. SiC Zener Diode for Gate Protection of 4.5 kV SiCGT // Materials Science Forum. - 2010. - T. Carbură de siliciu și materiale aferente 2010 . - S. 559-562 . doi : 10.4028/www.scientific.net / MSF.679-680.559 .
22. ↑ 1 2 3 4 Bazu, Bajenescu, 2011 , capitolul 5.3.1.4 Diode Z.
23. ↑ Zener, C. A Theory of Electrical Breakdown in Solid Dielectrics  // Proceedings of the Royal Society, London A 2. - 1934. - Vol. 145, nr. 855 . - P. 523-529. - doi : 10.1016/b978-0-12-448750-5.50032-3 .
24. ↑ Zee, 1984 , p. 105-106.
25. ↑ Zee, 1984 , p. 109-115.
26. ↑ Zee, 1984 , p. 106.
27. ↑ Harrison, 2005 , p. 374.
28. ↑ Horowitz & Hill 1986 , p. 315-316.
29. ↑ Pease, 2001 , p. 113. Eroare în traducere: „rezistență diferențială mică” în loc de „mare” (în originalul „specificații de impedanță slabă”).
30. ↑ 1 2 3 4 5 TVS/Zener Theory and Design, 2005 , p. zece.
31. ↑ TVS/Zener Theory and Design, 2005 , p. 9.
32. ↑ NASA, 1988 , p. 4-65.
33. ↑ NASA, 1988 , p. 4-63.
34. ↑ 1 2 3 Camenzind, 2005 , p. 1-28.
35. ↑ 1 2 3 Pease, 2001 , p. 115.
36. ↑ AUIPS2031R Comutator inteligent pentru putere scăzută . International Rectifier (2010). Consultat la 22 noiembrie 2012. Arhivat din original pe 26 noiembrie 2012. (nedefinit)
37. ↑ 12 Harrison , 2005 , pp. 417-420.
38. ↑ 1 2 3 Averbukh, V. Surse de tensiune de referință de precizie  // Dodeka. - 2000. Arhivat 4 martie 2016.
39. ↑ Pease, 2001 , p. 113.
40. ↑ Pentru o revizuire detaliată (dar destul de depășită) a tranzistoarelor inteligente, a se vedea Hayes, A. An introduction to intelligent power . ST Microelectronics (1999). Preluat la 22 noiembrie 2012. (nedefinit)
41. ↑ Gershunsky și colab., 1975 , p. 238, 239.
42. ↑ 1 2 NASA, 1988 , p. 4-58.
43. ↑ Gershunsky și colab., 1975 , p. 237, 239.
44. ↑ Gershunsky și colab., 1975 , p. 240, 241.
45. ↑ NASA, 1988 , p. 4-59,4-63.
46. ↑ Gershunsky și colab., 1975 , p. 239, 240.
47. ↑ NASA, 1988 , p. 4-60.
48. ↑ Gershunsky și colab., 1975 , p. 240.
49. ↑ NASA, 1988 , p. 4-61.
50. ↑ Camenzind, 2005 , p. 2-12.
51. ↑ GOST 25529-82, 1986 , p. 11, definițiile 81 și 82.
52. ↑ Harrison, 2005 , p. 369.
53. ↑ Diode duble regulatoare de avalanșă de joasă tensiune seria PLVA2600A (link indisponibil) . NXP Semiconductors . Preluat la 22 noiembrie 2012. Arhivat din original la 13 mai 2012. (nedefinit) 
54. ↑ Diode, diode zener, tiristoare, 1988 , p. 290–292 (date din seria 2S133V, 2S133G).
55. ↑ Horowitz & Hill 1986 , p. 315, fig. 5.18.
56. ↑ GOST 25529-82, 1986 , p. 12, definiția 84.
57. ↑ Harrison, 2005 , pp. 376.
58. ↑ NASA, 1988 , p. 4-56.
59. ↑ Diode, diode zener, tiristoare, 1988 , p. 290-292.
60. ↑ Diode zener avalanșă de joasă tensiune . Knox Semiconductor. Consultat la 22 noiembrie 2012. Arhivat din original pe 26 noiembrie 2012.  (nedefinit) , date din seria 1N6083/LVA347
61. ↑ Horowitz & Hill 1986 , p. 315-316.
62. ↑ GOST 25529-82, 1986 , p. 12, definiția 85.
63. ↑ 1 2 3 NASA, 1988 , p. 4-70.
64. ↑ Harrison, 2005 , pp. 374-375.
65. ↑ Harrison, 2005 , pp. 326, 327, 332.
66. ↑ Harrison, 2005 , p. 368.
67. ↑ Harrison, 2005 , p. 434.
68. ↑ VRE3050: Referință de precizie la costuri reduse . Thaler Corporation (2000-07-01). Consultat la 1 noiembrie 2012. Arhivat din original pe 26 noiembrie 2012.  (nedefinit) . Date seria VRE3050J. În 2012, produs de Apex Microtechnology, care s-a desprins din Cirrus Logic și a moștenit linia ION Thaler
69. ↑ NASA, 1988 , p. 4-72, 4-73.
70. ↑ 1 2 NASA, 1988 , p. 4-71.
71. ↑ NASA, 1988 , p. 4-75: „Istoria a arătat că cea mai mare cauză a defecțiunii diodei este operarea peste nivelurile admisibile de stres termic și electric.”.
72. ↑ Harrison, 2005 , p. 382.
73. ↑ Harrison, 2005 , pp. 376-377.
74. ↑ Harrison, 2005 , pp. 379-380.
75. ↑ 123 seria NZX . Diode Zener simple. Fișa tehnică a produsului (link descendent) . NXP Semiconductors . Consultat la 22 noiembrie 2012. Arhivat din original la 7 septembrie 2012. (nedefinit) 
76. ↑ Harrison, 2005 , pp. 393, 394.
77. ↑ Harrison, 2005 , p. 400.
78. ↑ 12 Harrison , 2005 , p. 394.
79. ↑ Diode, diode zener, tiristoare, 1988 , p. 357.
80. ↑ NASA, 1988 , p. 4-57.
81. ↑ 1 2 1N821 până la 1N829A-1 DO-7 Diode de referință Zener compensate cu temperatură de 6,2 și 6,55 volți . Microsemi Corporation (2003). Preluat la 28 noiembrie 2012. (nedefinit)
82. ↑ Diode, diode zener, tiristoare, 1988 , p. 349.
83. ↑ Harrison, 2005 , pp. 398-399.
84. ↑ 1N4565 până la 1N4584A-1 DO-7 Diode de referință Zener compensate cu temperatură de 6,4 volți . Microsemi Corporation (2003). Preluat la 28 noiembrie 2012. (nedefinit)
85. ↑ Diode, diode zener, tiristoare, 1988 , p. 347.
86. ↑ GOST actual 2.730-73 „Sistem unificat pentru documentația de proiectare. Denumirile grafice condiționate în scheme. Dispozitive semiconductoare” nu oferă o denumire specială pentru dispozitivele compozite de precizie
87. ↑ Mitchell, L. Understanding and Applying Voltage References  // Linear Technology . - 1999. - Nr. Notă de aplicare 82 . Arhivat din original pe 21 octombrie 2012.
88. ↑ Fluke Corporation . O abordare practică pentru menținerea standardelor de referință DC // Fluke Corporation . - 2000. - P. 6.
89. ↑ 1 2 3 LTZ1000/LTZ1000A: Referință Ultra Precision (link indisponibil) . Tehnologia liniară (1987). Consultat la 1 noiembrie 2012. Arhivat din original pe 26 noiembrie 2012. (nedefinit) 
90. ↑ GOST 23419-79 „Mijloace de alimentare secundară a echipamentelor radio-electronice”. - Ținând cont de schimbarea 1. - Gosstandart al URSS, 1985. - P. 2, definiția 11. - 4 p.
91. ↑ Harrison, 2005 , p. 378: Când o diodă Zener eșuează, ieșirile sale sunt de obicei scurtcircuitate.
92. ↑ Harrison, 2005 , pp. 376-379.
93. ↑ Harrison, 2005 , p. 378.
94. ↑ Diode, diode zener, tiristoare, 1988 , p. 290-292 (date din seria 2S133V, 2S133G) sau 269 (date din seria D814), etc.
95. ↑ Diode semiconductoare puternice, 1985 , p. 126 (seria de date de referință D815), etc.
96. ↑ Harrison, 2005 , pp. 382-386.
97. ↑ 1 2 Pease, 2001 , p. 116, fig. 6.4.
98. ↑ Harrison, 2005 , p. 387, p. 13.15.
99. ↑ Harrison, 2005 , pp. 386-387.
100. ↑ 1 2 Broskie, J. Subiect: Virtual Zener  // Tube CAD Journal. - 1999. - Nr. decembrie 1999 . — P. 17. Arhivat din original la 4 martie 2016.
101. ↑ Harrison, 2005 , p. 398, fig. 13.26.
102. ↑ Harrison, 2005 , pp. 397, 398.
103. ↑ Harrison, 2005 , pp. 395, 396.
104. ↑ Generator de zgomot alb // Radio. - 1979. - Nr 9 . - S. 58 .
105. ↑ 1 2 Construirea unui generator de zgomot alb cu cost redus  // Note de aplicație Maxim Integrated. - 2005. - Nr AN 3469 . Arhivat din original pe 2 decembrie 2012.
106. ↑ Hickman, I. Hickman's Analog and RF Circuits. - Newnes, 1998. - P. 145-150. — 320p. — ISBN 9780750637428 .

Surse

• Gottlieb, I. M. Surse de energie. Invertoare, convertoare, stabilizatoare liniare și comutatoare. - Postmarket, 2002. - 544 p. — ISBN 5901095057 .
• Gershunsky, B. S. et al. Carte de referință despre bazele tehnologiei electronice. - Kiev: Editura „Școala Vișcha” la Universitatea de Stat din Kiev, 1975. - 352 p. - 86.000 de exemplare.
• GOST 15133-77 „Dispozitive semiconductoare. Termeni și definiții". - Sub rezerva modificărilor 1-4. - Gosstandart al URSS, 1987. - 30 p.
• GOST 25529-82 „Diode semiconductoare. Termeni, definiții și denumiri de litere ale parametrilor. - luând în considerare schimbarea 1. - Gosstandart al Federației Ruse, 1986. - 28 p.
• Zee, S. M. Fizica dispozitivelor semiconductoare. - M . : Mir, 1984. - T. 1. - 456 p. - 16.000 de exemplare.
• Kolesnikov, V. G. și alții.Electronică. Dicţionar enciclopedic. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1991. - 688 p. — ISBN 5852700622 .
• Microcircuite pentru surse de alimentare liniare și aplicarea acestora. - Ed. a II-a - M . : Dodeka, 1998. - ISBN 5878350211 .
• Diode semiconductoare puternice / ed. A. V. Golomedova. - M . : Radio și comunicare, 1985. - 400 p. — 50.000 de exemplare.
• Pease, R. Electronica practică a dispozitivelor analogice. - M. : DMK-Press, 2001. - ISBN 5940740049 .
• Dispozitive semiconductoare. Diode redresoare, diode zener, tiristoare / ed. A. V. Golomedova. - M . : Radio şi comunicare, 1988. - 528 p. — 100.000 de exemplare.  — ISBN 5256001450 .
• Horowitz, P., Hill, W. Arta circuitelor . - Ed. a III-a - M . : Mir, 1986. - T. 1. - 598 p. — 50.000 de exemplare.
• Bazu, M.; Bajenescu, T. Analiza defecțiunilor: un ghid practic pentru producătorii de componente și sisteme electronice . - Wiley, 2011. - 344 p. — ISBN 9781119990000 .
• Camenzind, H. Proiectarea circuitelor analogice . - Editura Virtualbookworm, 2005. - 244 p. — ISBN 9781589397187 . Arhivatpe 10 martie 2018 laWayback Machine
• Harrison, L. Surse de curent și referințe de tensiune. - Newnes, 2005. - 569 p. — (Electronică și electrică). — ISBN 9780750677523 .
• Manual de aplicare a pieselor NASA. Volumul 2: Diode, tranzistoare, dispozitive cu microunde (MIL-HDBK-978-B) . - NASA , 1988.
• Teoria TVS/Zener și considerații de proiectare . - ON Semiconductor , 2005. - 127 p.

Dicționare și enciclopedii	mare danez Rusă mare Britannica (online)
În cataloagele bibliografice	GND : 4190693-7