Zenereode

Zenereode
	Zenereode
Тип	Пассивный
Working principleРабочий принцип	Зенер эффект
Изобретенный	Кларенс Мелвин Зенер
Конфигурация PIN	Анод и катод
Электронный символ

ZenerEdode ) , - это специальный тип диода , предназначенный для надежного разрешения тока течь «назад» (перевернутая полярность определенное наборное обратное напряжение , известное как напряжение Zener когда достигается .

Диоды Zener изготавливаются с большим разнообразием напряжений Zener, а некоторые даже являются переменными. Некоторые диоды Zener имеют резкий, сильно легированный p - N -соединение с низким напряжением Zener, и в этом случае обратная проводимость происходит из -за квантового туннелирования электронов на коротком расстоянии между областями P и N - это известно как эффект Zener , после Кларенс Зенер . Диоды с более высоким напряжением Zener имеют более легкие легированные соединения, что приводит к тому, что их способ работы включает в себя разбивку лавины . Оба типа разбивки присутствуют в Zener Diodes с эффектом Zener, преобладающим при более низких напряжениях и разбивкой лавины при более высоких напряжениях.

Они используются для генерации стабилизированных направлений питания с низкой мощностью от более высокого напряжения и для обеспечения контрольных напряжений для цепей, особенно стабилизированных источников питания. Они также используются для защиты цепей от перенапряжения , особенно электростатического разряда .

История

Устройство названо в честь американского физика Кларенса Зенере , который впервые описал эффект Зеннера в 1934 году в своих главных теоретических исследованиях расщепления свойств электрического изолятора. Позже его работа привела к Bell Labs в форме электронного устройства, Zenere Deode. реализации эффекта ^{[ 1 ]}

Операция

Обычный твердотельный диод обеспечивает значительный ток, если он находится в обратном смещении выше своего обратного напряжения разбивки. Когда превышено напряжение нарушения обратного смещения, обычный диод будет проводить высокий ток из -за разбивки лавины. Если этот ток не ограничен внешними схемами, диод может быть постоянно поврежден из -за перегрева в небольших (локализованных) областях полупроводникового соединения, где происходит проводящее проведение лавины. ZenerEdode демонстрирует почти те же свойства, за исключением того, что устройство специально разработано так, чтобы иметь уменьшенное напряжение поломки, так называемое напряжение Zener. В отличие от обычного устройства, ZenerEdEd с обратным смещением демонстрирует контролируемый разрыв и позволяет току сохранять напряжение через ZenerEdode вблизи напряжения разбивки Zener. Например, диод с напряжением разбивки Zener 3,2 В имеет падение напряжения почти на 3,2 В в широком диапазоне обратных токов. Следовательно, ZenerEdode хорошо подходит для таких приложений, как генерация Опорное напряжение (например, для стадии усилителя ) или в качестве стабилизатора напряжения для применения с низким содержанием тока. ^{[ 2 ]}

Другим механизмом, который дает аналогичный эффект, является эффект лавины, как и в диоде лавины . ^{[ 2 ]} Два типа диода фактически построены аналогичным образом, и оба эффекта присутствуют в диодах этого типа. В кремниевых диодах до 5,6 вольт эффект Zener является преобладающим эффектом и показывает заметный отрицательный коэффициент температуры . Выше 5,6 вольт, эффект лавины доминирует и демонстрирует положительный коэффициент температуры. ^{[ 3 ]}

В диоде 5,6 В, два эффекта происходят вместе, и их температурные коэффициенты почти отменяют друг друга, таким образом, диод 5,6 В полезен в критических температурных приложениях. Альтернативой, которая используется для ссылок на напряжение, которые должны быть очень стабильными в течение длительных периодов времени, заключается в использовании дзенеренода с температурным коэффициентом (TC) +2 мВ/° C (напряжение расщепления 6,2–6,3 В) подключено последовательно с силиконовым диодом с прямым смещением (или перекрестком транзистора), изготовленным на том же чипе. ^{[ 4 ]} Диод с прямым смещением имеет температурный коэффициент -2 мВ/° C, в результате чего TCS отменит для чистого почти нулевого коэффициента температуры.

Стоит также отметить, что температурный коэффициент ZenerEdode 4,7 В ближне к соревнованиям из эмиттер -базы транзистора кремния примерно на -2 мВ/° C, поэтому в простой регулирующей схеме, где набор диодов 4,7 В. Напряжение у основания транзистора NPN (то есть их коэффициенты действуют параллельно), излучатель будет со скоростью около 4 В и довольно стабилен с температурой.

Современные дизайны создали устройства с напряжением ниже 5,6 В с незначительными температурными коэффициентами, ^{[ Цитация необходима ]}Полем Устройства с более высоким напряжением имеют температурный коэффициент, который приблизительно пропорционален количеству, на которое напряжение разбивки превышает 5 В. Таким образом, диод 75 В в 10 раз превышает коэффициент диода 12 В. ^{[ Цитация необходима ]}

Диоды Zener и Avalanche, независимо от напряжения разбивки, обычно продаются в рамках зонтикового термина «ZenerEdode».

В соответствии с 5,6 В, где доминирует эффект Zener, кривая IV вблизи разрыва гораздо более округлена, что требует большей заботы при выборе условий смещения. Кривая IV для Zeners выше 5,6 В (в которой доминирует Avalanche), гораздо точнее при срыве.

Строительство

Работа ZenerEdode зависит от тяжелого легирования его перекрестка P - N. образованная в диоде, очень тонкая (<1 мкм), а электрическое поле, следовательно, очень высокое (около 500 кВ/м) даже для небольшого напряжения обратного смещения около 5 В, что позволяет электронам туннель Область истощения , из валентной полосы материала P-типа в полосу проводимости материала N-типа.

В атомной масштабе это туннелирование соответствует транспортировке электронов валентной полосы в пустые состояния полосы проводимости; В результате уменьшенного барьера между этими полосами и высокими электрическими полями, которые индуцируются из -за высоких уровней допинга с обеих сторон. ^{[ 3 ]} Напряжение разбивки можно довольно точно управлять процессом допинга. Добавление примесей или допинга изменяет поведение полупроводникового материала в диоде. В случае с диодами Zener это тяжелое легирование создает ситуацию, когда диод может работать в области разрушения. В то время как допуски в пределах 0,07% доступны, обычно доступные допуски составляют 5% и 10%. Напряжение разбивки для общепринятых диодов Zener может варьироваться от 1,2 В до 200 В.

Для диодов, которые слегка легируют, в разрыве преобладает эффект лавины, а не эффект Zener. Следовательно, напряжение разбивки выше (более 5,6 В) для этих устройств. ^{[ 5 ]}

Поверхностные дзенеры

Объединение из эмиттера биполярного транзистора NPN ведет себя как дзенерод, с напряжением расщепления примерно на 6,8 В для общих биполярных процессов и около 10 В для слегка легированных базовых областей в процессах BICMOS . характеристик легирования имели изменение напряжения Zener до ± 1 В, более новые процессы, использующие ионную имплантацию Более старые процессы с плохим контролем Эмиттер соединен вместе как катодная и базовая область в качестве анода. При таком подходе профиль базового допинга обычно сужается к поверхности, создавая область с усиленным электрическим полем, где происходит разбивка лавины. Горячие носители, полученные в результате ускорения в интенсивном поле, могут впрыскивать в слой оксида над соединением и попасть там. Накопление захваченных зарядов может затем вызвать «Zener Oltout», соответствующее изменение напряжения Zener соединения. Тот же эффект может быть достигнут радиационное повреждение .

Диоды Zener-базы излучателя могут обрабатывать только низкие токи, так как энергия рассеивается в области истощения базового истощения, которая очень мала. Более высокие количества рассеиваемой энергии (более высокий ток в течение более длительного времени или короткий очень высокий ток) вызывает тепловое повреждение соединения и/или его контактов. Частичное повреждение соединения может сдвинуть его напряжение Zener. Полное разрушение соединения Zener, перегрев его и вызывая миграцию металлизации по всему соединению («Spiking»), может быть преднамеренно использоваться в качестве антифуза «Zener Zap» . ^{[ 6 ]}

Подповерхностные Zeners

Подземный дзенерзод, также называемый «похороненным Zener», представляет собой устройство, похожее на поверхность Zener, но легирование и конструкция таковы, что область лавины расположена глубже в структуре, как правило, в нескольких микрометрах ниже оксида. Затем горячие носители теряют энергию, столкнувшись с полупроводниковой решеткой, прежде чем достигать слоя оксида и не может быть пойман там. Таким образом, явление забастовки Zener не возникает здесь, и у похороненных Zeners стабильное напряжение на протяжении всей жизни. Большинство захороненных Zeners имеют напряжение поломки 5–7 вольт. Используются несколько разных конструкций соединения. ^{[ 7 ]}

Использование

Диоды Zener широко используются в качестве ссылок на напряжение и в качестве шунтирования регуляторов для регулирования напряжения на мелких цепях. При подключении параллельно с источником переменного напряжения, чтобы он был смещен в обратное, Zenere Deode проводится, когда напряжение достигает напряжения разрыва диода. С этого момента низкий импеданс диода сохраняет напряжение через диод при этом значении. ^{[ 8 ]}

В этой схеме типичный эталон или регулятор напряжения, входное напряжение, u _in (с + сверху), регулируется до стабильного выходного напряжения u _Out . Напряжение разрушения диода D стабильно в широком диапазоне тока и удерживает _{примерно постоянную ,} даже если входное напряжение может колебаться в широком диапазоне. Из -за низкого импеданса диода при работе, резистор R используется для ограничения тока через цепь.

В случае этой простой ссылки ток, текущий в диоде, определяется с использованием закона Ома и известного падения напряжения на резисторе R ;

I_{\text{diode}}={\frac {U_{\text{in}}-U_{\text{out}}}{R}}

Значение R должно удовлетворить два условия:

R должен быть достаточно малым, чтобы ток через D сохранял D в обратном расщеплении. Значение этого тока приведено в листе данных для D. Например, Common bzx79c5v6 ^{[ 9 ]} Устройство, 5,6 В 0,5 Вт, имеет рекомендуемый обратный ток 5 мА. Если недостаточный ток существует через D, то U _Out не регулируется и меньше, чем номинальное напряжение разрушения (это отличается от трубок регулятора напряжения , где выходное напряжение выше, чем номинальное, и может подняться так же высоко, как u _in ). При расчете необходимо производить пособие для любого тока через внешнюю нагрузку, не показанную на этой диаграмме, подключенной U. _через R
R должен быть достаточно большим, чтобы ток через D не разрушал устройство. Если ток через D I I _D , его напряжение разбивки V _B и его максимальное рассеяние мощности P _Max коррелируют как таковые: $I_{D}V_{B}<P_{\text{max}}$ .

Нагрузка может быть размещена через диод в этой отсчета, и пока Zener остается в обратном расщеплении, диод обеспечивает стабильный источник напряжения для нагрузки. Диоды Zener в этой конфигурации часто используются в качестве стабильных ссылок для более расширенных цепей регулятора напряжения.

Регуляторы шунтирования просты, но требования к тому, чтобы балластный резистор был достаточно мал, чтобы избежать чрезмерного падения напряжения во время работы в худшем случае (низкое входное напряжение, одновременно , создавая довольно расточительный регулятор с высоким рассеянием мощности, подходит только для меньших нагрузок.

Эти устройства также встречаются, как правило, последовательно с соединением базовой эмиттер, на стадиях транзистора, где можно использовать селективный выбор устройства, сосредоточенного на точке лавины или Zener, чтобы ввести компенсационную температурную коэффициенту балансировки транзистора P-N-соединения. Полем Примером такого рода использования может быть усилитель ошибки DC , используемый в регулируемой схемой питания системе обратной связи с .

Диоды Zener также используются в защитниках всплесков для ограничения переходных пиков напряжения.

Шумовой генератор

Другое применение ZenerEdode-это использование в области разбивки лавина шума (см. § ZenerEdode Generator Zone ), который, например, может использоваться для дитеринга в аналого-цифровом преобразователе, когда на уровне среднеквадратичных 1 ⁄ 3 до 1 LSB ^{[ 10 ]} или создать генератор случайных чисел .

Клиппер для формы волны

Примеры клипперы формы волны (V _в полярности не имеет значения)

Два Zener Diodes, обращенные друг к другу в серии Clip обе половины входного сигнала. Стрелки для формы сигнала могут использоваться не только для изменения сигнала, но и для предотвращения влияния шипов напряжения, которые подключены к источнику питания. ^{[ 11 ]}

Переключатель напряжения

Примеры переключения напряжения

Зенерзод может быть применен к схеме с резистором, чтобы действовать как переключатель напряжения. Эта схема снижает выходное напряжение на количество, которое равна напряжению расщепления ZenerEdode.

Регулятор напряжения

Примеры регулятора напряжения (V _в + находится вверху)

ZenerEdode может быть применен в схеме регулятора напряжения для регулирования напряжения, приложенного к нагрузке, например, в линейном регуляторе .

Смотрите также

Ссылки

^ Саксон, Вольфганг (6 июля 1993 г.). «Кларенс М. Зенер, 87, физик и профессор Карнеги Меллона» . New York Times .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Миллман, Джейкоб (1979). Микроэлектроника . МакГроу Хилл. С. 45–48 . ISBN 978-0071005968 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Дорф, Ричард С., изд. (1993). Руководство по электротехнике . Boca Raton: CRC Press. п. 457. ISBN 0-8493-0185-8 .
^ Калибровка: философия на практике . Случайно. 1994. С. 7–10. ISBN 0963865005 .
^ Ракеш Кумар Гарг, Ашиш Диксит, Паван Ядав, Основная электроника , с. 150, брандмауэр СМИ, 2008 ISBN 8131803023 .
^ Комер, Дональд Т. (1996). «Зенер ZAP против фьюза в цепях VLSI» . VLSI Design . 5 : 89. DOI : 10.1155/1996/23706 .
^ Гастингс, Алан (2005). Искусство аналогового макета (второе изд.). Прентис Холл. ISBN 9780131464100 .
^ Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2 -е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 68–69 . ISBN 0-521-37095-7 .
^ «BZX79C5V6 - 5,6 В, 0,5 Вт ZenerEdode - лист данных» . Fairchild Semiconductor . Получено 22 июля 2014 года .
^ Лион, Ричард (2004) [2001]. Понимание цифровой обработки сигналов (PDF) (2 -е изд.). Верхняя Седл -Ривер, Нью -Джерси: Прентис Холл . п. 509. ISBN 0-13-108989-7 Полем Архивировано (PDF) из оригинала на 2023-04-05.
^ Diffenderfer, Robert (2005). Электронные устройства: системы и приложения . Томас Дельмар обучение. С. 95–100. ISBN 1401835147 Полем Получено 22 июля 2014 года .

Дальнейшее чтение

Теория телевизоров/Zener и дизайна ; На полупроводнике; 127 страниц; 2005; HBD854/d. (Бесплатно PDF скачать)

Внешние ссылки

[WS93-1] Саксон, Вольфганг (6 июля 1993 г.). «Кларенс М. Зенер, 87, физик и профессор Карнеги Меллона» . New York Times .

[JM79-2] Jump up to: ^а ^{беременный} Миллман, Джейкоб (1979). Микроэлектроника . МакГроу Хилл. С. 45–48 . ISBN 978-0071005968 .

[Dorf93-3] Jump up to: ^а ^{беременный} Дорф, Ричард С., изд. (1993). Руководство по электротехнике . Boca Raton: CRC Press. п. 457. ISBN 0-8493-0185-8 .

[4] Калибровка: философия на практике . Случайно. 1994. С. 7–10. ISBN 0963865005 .

[5] Ракеш Кумар Гарг, Ашиш Диксит, Паван Ядав, Основная электроника , с. 150, брандмауэр СМИ, 2008 ISBN 8131803023 .

[6] Комер, Дональд Т. (1996). «Зенер ZAP против фьюза в цепях VLSI» . VLSI Design . 5 : 89. DOI : 10.1155/1996/23706 .

[7] Гастингс, Алан (2005). Искусство аналогового макета (второе изд.). Прентис Холл. ISBN 9780131464100 .

[PHWH89-8] Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2 -е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 68–69 . ISBN 0-521-37095-7 .

[9] «BZX79C5V6 - 5,6 В, 0,5 Вт ZenerEdode - лист данных» . Fairchild Semiconductor . Получено 22 июля 2014 года .

[10] Лион, Ричард (2004) [2001]. Понимание цифровой обработки сигналов (PDF) (2 -е изд.). Верхняя Седл -Ривер, Нью -Джерси: Прентис Холл . п. 509. ISBN 0-13-108989-7 Полем Архивировано (PDF) из оригинала на 2023-04-05.

[Electronic_Devices-11] Diffenderfer, Robert (2005). Электронные устройства: системы и приложения . Томас Дельмар обучение. С. 95–100. ISBN 1401835147 Полем Получено 22 июля 2014 года .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]