Zener dióda

A félvezető zener -dióda vagy Zener -dióda  egy félvezető dióda , amely meghibásodási módban fordított előfeszítéssel működik [1] . A meghibásodás előtt jelentéktelen szivárgóáramok áramlanak át a zener-diódán, ellenállása nagyon nagy [1] . Ha meghibásodik, a zener-diódán áthaladó áram erősen megnő, és a differenciális ellenállása olyan értékre csökken, amely különböző eszközök esetén az ohm töredékétől több száz ohmig terjed [1] . Ezért letörési módban a zener-diódán lévő feszültséget adott pontossággal tartják fenn a fordított áramok széles tartományában [2] .

A zener diódák fő célja a feszültség stabilizálása [1] [2] . A soros zener diódákat 1,8 V és 400 V közötti feszültségre gyártják [3] . A mintegy 7 V feszültségű látens szerkezetű integrált zener-diódák a legpontosabb és legstabilabb félvezető feszültség referenciaforrások : legjobb példáik megközelítik egy normál Weston elem általános teljesítményét . Az elektromos berendezések túlfeszültség elleni védelmére speciális típusú zener-diódákat, nagyfeszültségű lavinadiódákat („tranziens impulzuszaj-csillapítók”, „elnyomók”, „TVS-diódák”) használnak .

Terminológia és osztályozás

Az orosz nyelvű irodalomban a "zener-dióda" fogalmát a "félvezető" meghatározása nélkül kifejezetten a félvezető zener-diódákra alkalmazzák. Pontosításra van szükség, ha a félvezető zener-diódákat szembe kell állítani az elavult, gáztöltésű izzó- és koronakisülésű zener -diódákkal . A Zener-dióda katódja az a kapocs, amelybe a fordított áram folyik (a fordított előfeszítésű pn-átmenet n-területe ), az anód  az a kapocs, amelyről a megszakítóáram folyik (a pn-átmenet p-területe) . A kétanódos (kétoldalas) zener-diódák két, egymással ellentétes irányban sorba kapcsolt zener-diódából állnak, „katódtól katódig” vagy „anódtól anódig”, ami a felhasználó szemszögéből egyenértékű.

A félvezető zener-diódák az 1950-es évek második felében léptek be az ipari gyakorlatba. Korábban a zener-diódák nómenklatúrájában funkcionális csoportokat különítettek el [4] , amelyek utólag elvesztették jelentőségét, a modern félvezető zener-diódákat pedig funkcionális rendeltetésük szerint a következőkre osztják:

• Diszkrét általános célú Zener diódák - teljesítmény és kis teljesítmény. A Szovjetunióban a zener-diódákat teljesítménydisszipáció szerint négy csoportba sorolták: 0-0,3 W , 0,3-5 W, 5-10 W és 10 W feletti [5] ;
• Precíziós zener-diódák, beleértve a termikusan kompenzált zener -diódákat és rejtett szerkezetű zener-diódákat ;
• Impulzuszaj csillapítói ("korlátozó diódák", "elnyomók", "TVS-diódák") [6] .

A "Zener dióda" név (pauszpapír az angol zener diódából , az alagúttörés felfedezőjéről, Clarence Zenerről nevezték el ), a GOST 15133-77 "Félvezető eszközök" szerint. Kifejezések és definíciók”, nem megengedett a szakirodalomban [7] . Az angol szakirodalomban a stabilitron vagy stabilotron szót a zener diódára, a mikrohullámú vákuumgenerátorcső  egy nem elterjedt típusára [8] [9] és a zener vagy zener dióda („Zener diode”) fogalmára használják. ) minden típusú zener-diódára alkalmazható, függetlenül attól, hogy az adott készülékben melyik bontási mechanizmus (Zener vagy lavina) érvényesül [10] . Az angol lavinadiódát ("lavinadiódát" ) minden lavinaletörési diódára alkalmazzák, míg az orosz irodalomban az avalanche diode vagy "limiting diode" a GOST 15133-77 [11]  szerint a Zener-diódák szűken meghatározott alosztálya. lavinaletörési mechanizmus, amelyet elektromos túlfeszültség elleni védelemre terveztek. A határolódiódákat nem viszonylag kis áramok folyamatos továbbítására tervezték, hanem tíz és száz A erősségű áramimpulzusok rövid távú átvitelére. Az úgynevezett "alacsony feszültségű lavinadiódák" ( angolul low voltage avalanche , LVA) ellenkezőleg, folyamatos üzemmódban történő működésre tervezték. Ezek kis teljesítményű zener-diódák szokatlanul alacsony differenciálellenállással ; az ipari gyakorlatban eltörölték a különbséget köztük és a "közönséges" zener-diódák között [12] .  

Egyes "precíziós zener-diódák" különálló eszközökre jellemző megjelöléseket viselnek, de valójában összetett integrált áramkörök . Mind a zener-diódák, mind a sávszélességek belső referenciafeszültség-forrásként szolgálhatnak az ilyen mikroáramkörökhöz . Például egy kéttűs "precíziós zener-dióda" 2C120 (az AD589-hez analóg) Brokaw sávszélesség . A TL431 chip blokkvázlata egy zener diódát mutat, de a valóságban a TL431 Widlar sávszélesség [13] [14] .

A lavinafesztávú diódák , az alagútdiódák és a stabisztorok nem zener -diódák . A stabisztorok kis teljesítményű diódák, amelyek egyenárammal működnek a feszültségszabályozókban és hőmérséklet-érzékelőként. A stabisztorok jellemzői a fordított kapcsolásban nem voltak szabványosítva, és a stabisztor fordított előfeszítése csak "a berendezés be- és kikapcsolásának átmeneti folyamatai során" volt megengedett [15] . A különféle forrásokból származó fordított diódákat a zener-diódák alosztályaként [16] és az alagútdiódák alosztályaként [17] definiálják . Az adalékanyagok koncentrációja ezekben a diódákban olyan magas, hogy az alagút lebontása nulla fordított feszültség mellett történik. Speciális fizikai tulajdonságaik és szűk hatókörük miatt általában a zener-diódáktól elkülönítve tekintendők, és a diagramokon a zener-diódáktól eltérő, speciális szimbólummal vannak jelölve [16] [18] .

Hogyan működik

A félvezető zener-dióda egy olyan dióda , amelyet úgy terveztek, hogy leállási üzemmódban működjön az áram-feszültség karakterisztika fordított ágán . Olyan diódákban, amelyekre fordított vagy blokkoló feszültséget kapcsolnak, három letörési mechanizmus lehetséges: alagúttörés , lavinatörés és termikus instabilitás miatti meghibásodás – roncsoló önmelegedés szivárgóáramok által. Az egyenirányító diódákban , különösen a germánium diódákban termikus lebomlás figyelhető meg , és a szilícium-zener diódáknál ez nem kritikus. A Zener-diódákat úgy tervezték és gyártják, hogy akár alagút, akár lavinatörés, vagy mindkét jelenség együttesen jóval azelőtt következik be, hogy a diódakristályban megjelennének a termikus lebomlás előfeltételei [20] . A soros zener-diódák szilíciumból készülnek , de vannak ígéretes fejlesztések a szilícium-karbidból és gallium -arzenidből is [21] .

Az elektromos meghibásodás első modelljét 1933-ban Clarence Zener javasolta, aki akkoriban a Bristoli Egyetemen dolgozott [22] . 1934 nyarán jelent meg "Theory of Electrical Breakdown in Solid Dilectrics " [23] . 1954-ben Kenneth McKay , a Bell Labs munkatársa megállapította, hogy a Zener által javasolt alagút-mechanizmus csak kb. 5,5 V-ig terjedő áttörési feszültségnél működik, magasabb feszültségeknél pedig a lavinamechanizmus érvényesül [22] . A Zener dióda áttörési feszültségét az akceptorok és donorok koncentrációja, valamint a pn átmeneti tartomány adalékolási profilja határozza meg . Minél nagyobb a szennyeződés koncentrációja és minél nagyobb a gradiensük a csomópontban, annál nagyobb az elektromos térerősség a tértöltési tartományban egyenlő fordított feszültség mellett, és annál kisebb a fordított feszültség, amelynél a törés bekövetkezik:

• Alagút vagy Zener áttörés egy félvezetőben csak akkor következik be, ha a pn átmenetben az elektromos térerősség eléri a 10 6 V/cm szintet. Ilyen feszültségszintek csak erősen adalékolt diódákban (p + -n + -típusú szerkezetek) lehetségesek, amelyek áttörési feszültsége nem haladja meg a sávszélesség hatszorosát (6 E G ≈ 6,7 V), míg a 4 E G tartományban. 6 E G -ra (4,5 ... 6,7 V) az alagút áttörése együtt létezik a lavinával, és 4 E G -nél (≈4,5 V) kisebb áttörési feszültségnél teljesen kiszorítja azt. A csomóponti hőmérséklet növekedésével a sávszélesség, és ezzel együtt a letörési feszültség is csökken: az alagút áttörést túlsúlyban lévő alacsony feszültségű zener-diódák negatív hőmérsékleti feszültség együtthatóval (TKV) rendelkeznek [24] .
• Alacsonyabb adalékolási szintekkel vagy kisebb adalékanyag-gradiensekkel és ennek következtében nagyobb áttörési feszültségű diódáknál lavinaletörési mechanizmus figyelhető meg. 4 E G (≈4,5 V) áttörési feszültségnek megközelítőleg megfelelő szennyező koncentrációknál fordul elő, 4 E G (≈7,2 V) áttörési feszültségnél pedig teljesen helyettesíti az alagút-mechanizmust. A feszültség, amelyen a lavinaletörés bekövetkezik, a hőmérséklet emelkedésével növekszik, és a TC áttörés legnagyobb értéke alacsony adalékolt, viszonylag magas feszültségű csomópontokban figyelhető meg [25] .

Egy adott minta letörési mechanizmusa nagyjából a stabilizációs feszültséggel, és pontosan a hőmérsékleti együtthatójának előjelével határozható meg [26] . A „szürke zónában” (lásd az ábrát), amelyben mindkét bontási mechanizmus verseng, a TKN csak empirikusan határozható meg. A források eltérnek a zóna szélességének pontos becslésében: S. M. Zee „4  E G -től 6 E G -ig ” (4,5 ... 6,7 V), az „Elektronika” szótár szerzői „5-7 V-ig” jelzi. [9] , Linden Harrison - "3-ról 8 V-ra" [27] , Irving Gottlieb 10 V-os felső határt húz [10] . A 4-10 V feszültségű kisfeszültségű lavinadiódák (LVA) kivételt képeznek a szabály alól: csak lavinamechanizmussal rendelkeznek [12] .

A zener-dióda optimális karakterisztikája a "szürke zóna" közepén érhető el, körülbelül 6 V stabilizációs feszültséggel. A lényeg nem annyira az alagút és a lavina TKN-jének kölcsönös kompenzációja miatt. Ezek a zener-diódák termikusan viszonylag stabilak, de technológiailag a legkisebb feszültségszórás-stabilizátorral és a legkisebb, ceteris paribus differenciálellenállással rendelkeznek [28] . A jellemzők legrosszabb halmaza - magas zajszint, nagy stabilizációs feszültség-szórás, nagy differenciálellenállás - a kisfeszültségű zener-diódákra jellemző 3,3-4,7 V-on [29] .

Gyártás

A teljesítmény zener diódák egykristályos szilíciumból készülnek diffúziós ötvözet vagy planáris technológiával, a kis teljesítményűek - planáris, ritkábban mesa technológiával . A síkdióda eljárás két vagy három fotolitográfiát használ . Az első fotolitográfia széles ablakokat nyit meg a védőoxid felületén, amelybe azután adalékanyagot vezetnek be. A kívánt adalékolási profiltól függően ionimplantációs eljárások , kémiai gőzleválasztás és diffúzió alkalmazható gáznemű közegből vagy felületi filmről. A szennyeződés kezdeti bejuttatása után a felületi rétegből 1100-1250 °C hőmérsékleten mélyen a kristályba kerül. Ezután getterezési műveletet hajtanak végre  - a felületi hibák kiszorítását a kristály mélységébe és a felület passziválását . A getterezés és a passziválás nemcsak csökkenti a Zener- zajt , hanem radikálisan növeli a megbízhatóságát is azáltal, hogy kiküszöböli a véletlenszerű meghibásodások fő okát - a felületi hibákat. A második fotolitográfia ablakot nyit az anódos fémezés első vékony rétegének lerakásához. Ezt követően szükség esetén az anódfémezés fő rétegének elektronsugaras leválasztását , a harmadik fotolitográfiát és a fém katódoldali elektronsugaras leválasztását végezzük [31] .

Az ostyákat egy összeszerelő üzembe szállítják, ahol egyedi kristályokra vágják . A tranzisztoros ( SOT23 , TO220 , stb.) és mikroáramköri ( DIP , SOIC , stb.) kiszerelésű zener-diódák összeszerelése hagyományos csomagolási technológiákkal történik . A diódák, beleértve a zener-diódákat is, flexibilis vezetékekkel ellátott, kétpólusú csomagokban történő ömlesztett összeszerelése kétféleképpen hajtható végre [30] :

• A műanyag tokban lévő diódák (Surmetic) összeszerelése két lépésben történik. Először is, az összeszerelő gép a dióda szilíciumkristályát ("tablettát") végponttól végpontig forrasztja a vezetékek kiszélesített végeihez. A következtetések rézből készülnek, és keresztmetszete egy szilícium tabletta területéhez hasonlítható, vagy meghaladja azt. A vezetékek végeit szögfej alakúra öntik, és általában előónozzák . Az összeszerelő gépben történő forrasztás után a félkész termékeket lezárt műanyag hengerekbe csomagolják [30] .
• A DO-35 és DO-41 üvegházakban lévő diódák összeszerelése egy lépésben történik. Két üreges, ónozott bimetál kapocs van behelyezve a szilícium tabletta és a bimetálhuzal rugalmas kimenetének végei közé . Az összeszerelt munkadarabra egy üvegcsövet helyeznek kristályból, kapcsokból és vezetékekből - a jövőbeni tok. A szerelvényt kemencében az üveg olvadáspontjáig melegítik; a hűtés során az üveg először megkeményedik, hermetikus csatlakozást képezve az ólomfémmel, majd forrasztani [30] .

Ennek a technológiának egy drágább változatában a hőkezelés három fokozatát alkalmazzák: a kristályt legalább 700 °C-os hőmérsékleten molibdén- vagy volfrámtartókra forrasztják, üvegbe kapszulázzák, majd csak ezután forrasztják a vezetékeket [32] . A vezetékeket minden esetben a csomagolás után ónozzák [30] . A rézvezetékek előnyösebbek, mivel jobban elvezetik a hőt, mint a bimetálok [33] . A test belsejében, egy vékony szilícium tabletta mindkét oldalán jelentős mennyiségű forrasztóanyag jelenléte határozza meg a zener-diódák fő meghibásodási mechanizmusát: a forrasztási olvadék által okozott rövidzárlat , a síkba integrált zener-diódákban pedig a forrasztóanyag által okozott rövidzárlat. alumínium fémezési olvadék [34] [35] .

Alkalmazások

A zener dióda fő célja a tápegységek állandó feszültségének stabilizálása . A lineáris parametrikus stabilizátor legegyszerűbb sémájában a zener-dióda egyidejűleg referenciafeszültség forrásaként és teljesítményszabályozó elemként működik. Bonyolultabb áramkörökben a Zener-dióda csak referencia feszültségforrás funkciója van, és egy külső teljesítménytranzisztor szabályozó elemként szolgál .

A precíziós hőkompenzált zener-diódákat és a rejtett szerkezetű zener-diódákat széles körben használják diszkrét és integrált referenciafeszültség-forrásként (ION), beleértve az analóg-digitális mérőátalakítók legigényesebb feszültségstabilitási áramköreit is . Az 1970-es évek közepétől napjainkig (2012) a rejtett szerkezetű zener-diódák a legpontosabb és legstabilabb szilárdtest-ionok [37] . A speciálisan kiválasztott integrált zener-diódák laboratóriumi feszültségszabványainak pontossági mutatói megközelítik a normál Weston-elemekét [38] .

A speciális impulzusos lavinazener-diódákat („tranziens túlfeszültség-csillapítók”, „csillapítók”, „TVS-diódák”) az elektromos berendezések villámcsapás és statikus elektromosság okozta túlfeszültségek , valamint az induktív terhelések feszültséglökések elleni védelmére használják . Az ilyen, 1 W névleges teljesítményű eszközök sokkal jobban bírják a több tíz és száz amperes áramimpulzusokat, mint a "közönséges" ötven wattos teljesítményű zener-diódák [39] . Az elektromos mérőműszerek bemeneteinek és a térhatású tranzisztorok kapuinak védelmére hagyományos, kis teljesítményű zener-diódákat használnak. A modern "intelligens" MIS tranzisztorokban a védő Zener diódák ugyanazon a chipen készülnek teljesítménytranzisztorral [40] .

A múltban a zener-diódák más feladatokat is elláttak, amelyek később elvesztették korábbi fontosságukat:

• Korlátozás, alakítás, amplitúdó kiválasztása és impulzusérzékelés . Még az elektroncsövek korában is széles körben használták a szilícium zener diódákat az impulzusok tartományának korlátozására és tetszőleges hullámforma jelek adott polaritású impulzusokká alakítására [41] [42] . Az integrált technológia fejlődésével ezt a funkciót a nagy sebességű komparátor eszközök , majd a digitális jelfeldolgozók vették át .
• A váltakozó feszültség stabilizálása a szinuszos feszültség tartományának kétirányú zener diódával történő korlátozásával is járt. A bemeneti feszültség változásakor a kimeneti feszültség amplitúdója állandó maradt, effektív értéke pedig csak kismértékben maradt el a bemeneti feszültség effektív értékétől [43] [42] .
• Relé működtető feszültség beállítása . Ha nem szabványos relé küszöböt kellett beállítani, akkor a zener diódát sorba kapcsolták a tekercselésével, ami a küszöböt a kívánt értékre hozta. A félvezető kapcsolóáramkörök fejlődésével a relé hatóköre beszűkült, a relévezérlés funkcióját a tranzisztoros és integrált küszöbáramkörök vették át [44] [45] .
• Az erősítő fokozatok működési pontjainak beállítása. Az 1960-as évek csöves erősítői zener-diódákat használtak az automatikus előfeszítésű RC áramkörök helyettesítésére. Az audio tartomány alacsonyabb frekvenciáin és szubszonikus frekvenciákon az ilyen áramkörök kondenzátorainak számított kapacitása elfogadhatatlanul nagyra nőtt, így a zener dióda a drága kondenzátor gazdaságos alternatívája lett [46] [47] .
• Interkaszkád szintek eltolódása. Az egyenáramú csöves erősítőkben a szinteltolást általában gáztöltésű zener-diódákkal vagy hagyományos neonlámpákkal végezték . A félvezető zener-diódák feltalálásával elkezdték őket használni a gázzal töltött diódák helyett. Hasonló megoldásokat használtak a tranzisztoros berendezésekben is [48] , de ezeket gyorsan kiszorították a tranzisztorokon lévő fejlettebb szintváltó áramkörökkel.
• A nagy TKN-vel rendelkező Zener-diódákat hőmérséklet-érzékelőként használták hídmérő áramkörökben [49] . A tápfeszültségek és az energiafogyasztás csökkenésével ezt a funkciót az előrefeszített diódák, a tranzisztoros PTAT áramkörök és az ezekre épülő integrált áramkörök vették át.

A SPICE szimulációs környezetben az elemi zener dióda modellt nem csak a rendeltetésének megfelelően használják, hanem az "igazi" bipoláris tranzisztorok modelljeiben a leállási mód leírására is. Az Ebers-Moll tranzisztor SPICE modelljének szabványa nem veszi figyelembe a leállási módot [50] .

A zener dióda főbb jellemzői

Az útlevélben feltüntetett zener-dióda fő elektromos paraméterei a következők:

• Névleges stabilizációs feszültség. A stabilizáló feszültséget a fejlesztő választja ki az eszköz áramkörének követelményei szerint.
• A zener-diódán átfolyó üzemi áramok tartománya (minimális stabilizáló áram - maximális megengedett áram). A zener-diódán átmenő áramot a külső, a zener-diódához viszonyított áramkör - a zener-dióda kapcsolóáramkör - határozza meg. A stabilizációs feszültség adattábláján szereplő pontosság betartása érdekében a zener-diódán átfolyó áram nem lehet kisebb, mint a minimális stabilizáló áram. Az eszköz tönkremenetelének elkerülése érdekében az áramerősség nem haladhatja meg a megengedett legnagyobb áramerősséget.
• A zener dióda által disszipált maximális teljesítmény. Az eszköz tönkremenetelének megelőzése érdekében a készüléken leadott teljesítmény nem haladhatja meg ezt a paramétert. A készüléken disszipált teljesítmény egy számított érték, amely megegyezik a zener-diódán lévő feszültség és a zener-diódán áthaladó áram szorzatával. Alacsony teljesítményű zener-diódák esetén a maximális teljesítménydisszipáció egy útlevél érték. Erőteljes zener-diódák esetén a maximális teljesítményt egy további hűtőborda határozza meg, ebben az esetben a hűtési feltételek kiszámításához az útlevél olyan zener-dióda-paramétereket határoz meg, mint a kristályház maximális kristályhőmérséklete és hőellenállása .

A fő paramétereken kívül számos olyan paraméter létezik, amelyek leírják egy valódi eszköz stabilizációs feszültségének eltéréseit különböző tényezők hatására. Például szabályozási feszültségtűrés , differenciálellenállás, szabályozási feszültség hőmérsékleti együtthatója, hosszú távú drift és szabályozási feszültség zaj. Ezeket a paramétereket figyelembe kell venni a fokozott pontossági követelményeket támasztó áramkörök építésénél. Egyes alkalmazásokban fontos lehet az eszköz viselkedése a rajta áthaladó áram hirtelen változásai során, a zener dióda úgynevezett dinamikus paraméterei.

Stabilizációs áramok és feszültségek

GOST 25529-82 „Félvezető diódák. A paraméterek fogalmai, definíciói és betűjelei „ a zener-dióda stabilizáló áramát ( I st ) és stabilizációs feszültségét ( U st ) a stabilizációs üzemmódban lévő állandó feszültségek és áramok értékeként határozza meg [51] . A stabilizációs mód az áramok és feszültségek meglehetősen széles tartományában lehetséges, ezért a műszaki dokumentáció feltünteti az áramok ( I st.min , I st.max ) és a feszültségek ( U st ) megengedett minimális és maximális értékeit. .min , U st.max ) stabilizálás. Ezeken a tartományokon belül a gyártó által kiválasztott I st és U st névleges értékek vannak . A minimális stabilizáló áram általában megegyezik a fordított I–V karakterisztikus törési zóna kimeneti áramával, a maximumot a megengedett teljesítménydisszipáció korlátozza, a névleges áramot pedig általában a maximum 25-35%-ára állítják be [52 ] . A kisfeszültségű lavinadiódák minimális áramát mértékegységben és tíz mikroamperben [53] , a „közönséges” zener-diódák minimális áramát milliamperben mérik.

Például a 2S133V szovjet zener-dióda névleges feszültsége, amint az a jelöléséből következik , 3,3 V, és a névleges stabilizációs áram - az az áram, amelyen az útlevél jellemzőit mérik - 5 mA. A minimális stabilizáló áram minden üzemi hőmérsékleten (-60 ... +125 ° C) 1 mA, a maximum a hőmérséklettől és a légköri nyomástól függ . Normál légköri nyomáson és +35 °C - ot meg nem haladó hőmérsékleten az áram nem haladhatja meg a 37,5 mA-t, +125 °C-on pedig - 15 mA-t. Amikor a nyomás 665 Pa -ra (5 Hgmm , vagyis a normál légköri nyomás 1/150-ére) csökken, a maximális áramok felére csökkennek a ritka közegben a legrosszabb hőelvonás miatt. Ennek az eszköznek az útlevél-stabilizáló feszültség-szóródását ( U st.min ... U st.max ) 5 mA áramerősségre és négy különböző hőmérsékletre normalizálják -60 ° C és +125 ° C között. -60 °C-on a feszültségszórás 3,1 ... 3,8 V, +125 °C-on - 2,8 ... 3,5 V [54] .

Differenciálellenállás

A Zener-dióda differenciális vagy dinamikus ellenállása megegyezik a stabilizációs feszültségnövekmény és a stabilizálóáram-növekmény arányával egy adott (általában névleges) stabilizáló áram mellett [56] . A készülék instabilitását a tápfeszültség (bemeneten) és a terhelési áram (kimeneten) alapján határozza meg. A bemeneti instabilitás csökkentése érdekében a zener diódákat egyenáramú forrásból táplálják, a kimeneti instabilitás csökkentése érdekében egy DC puffererősítőt kell csatlakoztatni a Zener dióda és az emitter követő vagy műveleti erősítő terhelése közé , vagy kompozit zener dióda áramkört használnak [57] . Elméletileg a zener-dióda differenciális ellenállása csökken a stabilizáló áram növekedésével. Ez a pn-átmenet állandó hőmérsékletének feltételére megfogalmazott szabály a gyakorlatban csak az alacsony stabilizációs áramok tartományában érvényes. Nagyobb áramok esetén a kristály elkerülhetetlen felmelegedése a differenciális ellenállás növekedéséhez, ennek következtében a stabilizátor instabilitásának növekedéséhez vezet [58] .

Kis teljesítményű 2S133V zener-dióda esetén a differenciális ellenállás 1 mA minimális stabilizáló áram mellett 680 ohm, 5 mA névleges áram mellett és -60 és +125 ° C közötti hőmérsékleten nem haladja meg a 150 ohmot [59] . A nagyobb teljesítményű zener-diódák azonos névleges feszültséghez alacsonyabb differenciálellenállással rendelkeznek, például KS433A  - 25 ohm 30 mA-en. Az alacsony feszültségű lavinadiódák (LVA) differenciálellenállása körülbelül egy nagyságrenddel kisebb, mint a „közönséges” zener-diódáké: például az LVA351-nél (feszültség 5,1 V, teljesítmény 400 mW) áram mellett nem haladja meg a 10 ohmot 10 mA [60] . Minden zener-dióda-családon belül (azonos maximális teljesítményű) a legkisebb ellenállási abszolút értéke egy adott áramnál a 6 V feszültségű zener-diódák [61] .

Feszültség hőmérsékleti együttható

A GOST a feszültség hőmérsékleti együtthatóját úgy határozza meg, mint "a stabilizációs feszültség relatív változásának és a környezeti hőmérséklet abszolút változásának arányát" egy adott állandó stabilizáló áram mellett [62] . A közönséges, nem termikusan kompenzált diódák TKN-je névleges áramuk mellett az alagút áttöréses zener-diódákra ( U st <4 E g ) -0,05 és -0,1% / ° C között, valamint a lavinatörés zener-diódáira ( U st < 4 Eg ) 0,05-0,1%/°C . Más szóval, amikor a Zener-diódát +25 °C-ról +125 °C-ra melegítjük, a stabilizációs feszültség eltolódása a kezdeti érték 5-10%-a.

A kis és közepes áramok tartományában a zener-diódák áram-feszültség karakterisztikáján 4,5 ... 6,5 V feszültséghez [63] találhatunk egy pontot (áramérték I TK0 és feszültség U TK0 ), ahol a hőmérsékleti együttható nullához közelít. Ha egy ilyen zener-dióda áramát egy külső áramforrás pontosan I TK0 -val egyenlő szinten stabilizálja , akkor a zener-diódán lévő U TK0 feszültség gyakorlatilag független a hőmérséklettől. Ezt a megközelítést az integrált zener feszültség referenciaforrásokban használják , de nem alkalmazható diszkrét zener-diódákon alapuló eszközökre. Az I TK0 pontos értéke csak empirikusan határozható meg, ami tömeggyártás körülményei között elfogadhatatlan [64] . A 4,5 V-nál kisebb feszültségű Zener-diódák TKV-pontja is nulla, de az a biztonságos működési területen kívül esik [63] . A 6,5 V feletti feszültségű Zener-diódák pozitív (nullától eltérő) TKN értékkel rendelkeznek a teljes áramtartományban [63] .

Sodródás és zaj

A hagyományos, nem precíziós zener-diódák referenciadokumentációjában általában nincsenek feltüntetve az elsodródás és a zajjelzők. A precíziós zener-diódák esetében éppen ellenkezőleg, ezek a legfontosabb mutatók a kezdeti szórás és a TKN mellett [65] . A hagyományos zener-diódák magas zajszintje a szennyeződések és a rácshibák magas koncentrációjának köszönhető a pn átmenet tartományában. Az oxiddal vagy üveggel végzett védőpassziválás , amelynek során ezeket a szennyeződéseket a felszínhez közeli rétegekből a kristály vastagságába nyomják ki, csak részben csökkenti a zajt [66] . A zaj csökkentésének radikális módja - nem szennyeződések, hanem magát a pn átmenetet nyomva mélyen a kristályba - alacsony zajszintű , rejtett szerkezetű zener -diódákban alkalmazzák . Az ilyen eszközök legjobb mintáinak alacsony frekvenciájú (0,1-10 Hz) zajtartománya nem haladja meg a 3 µV-ot, a hosszú távú sodródás pedig nem haladja meg a 6 µV-ot az első 1000 üzemórában [67] [68] .

A zener-dióda legmagasabb zajszintje az áram-feszültség karakterisztika törésének tartományában figyelhető meg. A műszeresen vett nagy felbontású görbék azt mutatják, hogy a törés IV karakterisztikája nem egyenletes, hanem lépcsőzetes; ezeknek a lépéseknek a véletlenszerű eltolódása és a lépésről lépésre történő véletlenszerű áramátmenetek generálják az úgynevezett mikroplazmazajt . Ennek a zajnak a spektruma közel van a fehér zajhoz a 0-200 kHz frekvenciasávban. Amikor az I–V karakterisztikák szakadási tartományából a stabilizációs áramok tartományába lépünk, ezeknek a zajoknak a szintje meredeken csökken [69] .

Dinamikus teljesítmény

Az általános célú zener-dióda kapcsolási frekvenciája jellemzően 100 kHz-nél kisebb [70] . A meghibásodás nem következik be azonnal, és a válaszidő az uralkodó meghibásodási mechanizmustól és a zener dióda kialakításától függ. A folyamat során a zener-diódán lévő feszültség meghaladhatja a névleges stabilizációs értékét. A zener-diódák kapcsolóáramköreinek frekvenciatartománya bővíthető egy gyorsimpulzus-dióda sorba kapcsolásával a zener-diódával. Amikor a zener-dióda-dióda lánc feszültsége csökken, először a dióda zár, megakadályozva a zener-dióda kapacitásának kisülését. Ezen a kapacitáson a töltés hosszú ideig fenntartja a zener-dióda stabilizáló feszültségét, vagyis a zener-dióda soha nem zár be [70] .

Biztonságos munkaterület

"A történelem azt mutatja, hogy a dióda meghibásodásának fő oka a megengedett elektromos és termikus terhelések túllépése." NASA
Semiconductor Guide [71]

A zener dióda biztonságos működési területét számos paraméter korlátozza, amelyek közül a legfontosabbak az egyenáram, az impulzusáram maximális értékei, a pn-átmenet hőmérséklete (+150 °C a SOT-23-nál). csomag, +175 °C a DO-35 csomag, +200 °C a DO-41 csomag [72] ) és a teljesítmény disszipáció. Mindezeket a korlátozásokat egyszerre kell teljesíteni, és legalább az egyik be nem tartása a zener dióda tönkremeneteléhez vezet [73] .

Az áram- és teljesítményhatárok nyilvánvalóak, és a hőmérsékleti határértékhez meg kell becsülni azt a megengedett teljesítményt, amelynél a pn-átmenet számított hőmérséklete nem haladja meg a megengedett legnagyobb értéket. A műszaki dokumentációban az ilyen értékelést általában a megengedett P teljesítmény grafikonjaként adják meg a T a környezeti hőmérséklet függvényében . Ha nincs ilyen ütemezés, a megengedett teljesítményt a T j csomóponti hőmérséklet képletével kell megbecsülni :

ahol R ja  a pn átmenet és a környezet (levegő) közötti hőellenállás a folyamatosan disszipált teljesítményhez [74] . Ennek az értéknek a tipikus értéke kis teljesítményű zener-diódáknál, például az NZX sorozatnál, 380 °C/W [75] . Az érték korlátozza azt a teljesítményt, amelynél a számított hőmérséklet nem haladja meg a +175 °C-os határértéket [75] .

+50 °C-os várható környezeti hőmérséklet esetén a számított teljesítmény csak 330 mW – másfélszer kisebb, mint az 500 mW-os útlevélben meghatározott maximális teljesítmény [75] .

A hibák természete és okai

Katasztrofális rövidzárlatot nem csak a biztonságos működési tartományon túllépés okozhat, hanem az adalék atomok lassú diffúziója is a pn átmenetben. A nagy teljesítményű zener-diódákban, amelyeknél az egyik vezeték rugós rögzítése van a kristályhoz, a kristály mechanikai károsodása figyelhető meg a rugóval való érintkezési zónában. Ha a kristály repedése vagy kopása eléri a pn-átmeneti zónát, akkor katasztrofális és időszakos, „vándorló” rövidzárlat is lehetséges, valamint a stabilizációs feszültség stabil csökkenése [22] .

A zener-diódák öregedése az áramok, feszültségek és a differenciálellenállás megnövekedett sodródásában nyilvánulhat meg. Az áramsodródás a hosszú távú működés során a pn-csatlakozási zónában, a védőoxidrétegben és annak felületén felhalmozódó szennyeződésekkel magyarázható. A magas páratartalom melletti tesztelés során az árameltolódás a zener dióda házának szivárgása miatt következik be. A kimeneti ellenállás eltolódása, amelyet általában megnövekedett zajszint kísér, a kristály és a vezetékek közötti elektromos érintkezés romlásával jár [22] .

Precíziós zener diódák

Termikusan kompenzált zener dióda

A termikusan kompenzált zener-dióda - egy körülbelül 5,6 V névleges feszültségű, sorba kapcsolt zener-dióda lánca és egy előrefeszített dióda - az 1960-as évek végén került a fejlesztők gyakorlatába [76] . A 2000-es évekre a diszkrét termikusan kompenzált zener-diódákat integrált feszültség-referenciaforrásokra cserélték , amelyek jobb pontosságot és stabilitást biztosítottak alacsonyabb áram- és tápfeszültség mellett [77] .

Az 5,6 V-os feszültség közelében a lavinaletörési mechanizmus érvényesül az alagút felett, de nem nyomja el, hőmérsékleti együtthatója stabilan +2 mV/°C körüli pozitív értéket mutat. Egy előremenő dióda TEC értéke normál üzemi hőmérsékleten és áramerősség mellett körülbelül –2 mV/°C. Ha egy Zener-diódát és egy diódát sorba kapcsolunk, akkor ezek hőmérsékleti együtthatói kölcsönösen kompenzálódnak: egy ilyen lánc abszolút hőmérsékleti instabilitása csak 5 mV lehet a -55…+100 °C tartományban, vagy 2 mV a tartományban. 0…+75 °C [78] . Az ilyen eszközök normalizált TKN értéke akár 0,0005%/°C vagy 5 ppm /°C is lehet [79] . A termikusan kompenzált zener-dióda lehet egy másik , ellenkező irányban csatlakoztatott zener-dióda. Az ilyen szimmetrikus kétanódos eszközök, amelyek bármelyik feszültségpolaritással képesek működni, általában 10 mA névleges áramerősségre [80] vagy a zener-diódák e családjára jellemző áramra (7,5 mA kétanód esetén ) optimalizálva vannak. 1N822 az 1N821-1N829 szabvány sorozatból [81 ] ). Ha a termikusan kompenzált zener-dióda nem zener-dióda, hanem egy „egyszerű” dióda nem normalizált áttörési feszültséggel, akkor az eszköz működése az áram-feszültség karakterisztika közvetlen ágán általában nem engedélyezett [82] .

Egy tipikus termikusan kompenzált zener-dióda névleges stabilizációs feszültsége 6,2 vagy 6,4 V, ± 5%-os szórással (speciális sorozatban ± 2% vagy % ± 1%) [78] . A külföldi nómenklatúrában három hat voltos sorozat a legelterjedtebb 0,5 mA (1N4565-1N4569), 1,0 mA (1N4570-1N4574) és 7,5 mA (1N821-1N829) névleges áram esetén [83] . Ezen sorozatok névleges áramai megfelelnek a nulla TKN áramnak; kisebb áramoknál a TKN negatív, nagyobb áramoknál pozitív. A 7,5 mA-es eszközök differenciálellenállása 10 vagy 15 ohm [81] , a 0,5 mA-es eszközöké - legfeljebb 200 ohm [84] . A műszaki dokumentációban a belső szerkezet ezen jellemzőit általában nem teszik közzé: a hőkompenzált zener-diódákat a referenciakönyvekben a hagyományosakkal azonos módon sorolják fel, vagy a „precíziós zener-diódák” külön alosztályába sorolják [85] . A kapcsolási rajzokon ugyanazzal a szimbólummal jelöljük, mint a hagyományos zener-diódákat [86] .

Rejtett szerkezet Zener Dióda

A hagyományos síkbeli zener-dióda áttörési árama a szilícium felülethez közeli rétegében koncentrálódik - a rácshibák és szennyeződések maximális koncentrációjával rendelkező rétegben. Ezek a szennyeződések és hibák okozzák a zener-dióda instabilitását és zaját. Teljesítménye javítható, ha a letörési áramot mélyen a kristályba, a pn-átmenet rejtett szerkezetébe "vezetjük" a felületközeli rétegnél kisebb áttörési feszültséggel. A klasszikus epitaxiális technológiában a leendő zener-dióda helyén p + típusú vezetőképességű mélyszigetet alakítanak ki , majd az alap (p - ) és emitter (n + ) rétegek szokásos diffúzióját hajtják végre. A létrehozott diódastruktúra emittere a zener dióda katódja, a bázis pedig az anód. A felületi rétegben ennek az átmenetnek n + -p - vezetőképességi profilja van, az alaprégió alján pedig - n + -p + . Egy erősen adalékolt n + -p + átmenetnek kisebb a letörési feszültsége, mint a felületközeli n + -p - -rétegben, így a zener-dióda teljes fordított árama az alaptartomány alján van [87] .

Az első rejtett rétegű zener integrált áramkör, az LM199 1976-ban jelent meg, és a pontossági jellemzők összességének abszolút rekordja az 1987-ben kiadott LTZ1000-é [37] . A kiválasztott LTZ1000 -eket a Fluke legpontosabb szilárdtestfeszültség -szabványaiban használják , amelyek 1 ppm/év időinstabilitást és 0,1 ppm/°C TSV- t állítanak elő [38] [88] . Az LM199, LTZ1000 és társaik jellegzetes koncentrikus topológiával rendelkeznek. A kristály közepén egy zener-dióda található, a tranzisztorok közvetlenül szomszédosak - hőmérséklet-érzékelők, és körülöttük egy fűtőtekercset helyeznek el, szintén sík technológiával. Egy külső vagy beépített hőmérséklet-szabályozó tartja a kristály stabilan magas hőmérsékletét. Az ilyen IC-k rekordszinten alacsony TKN (LM199 - 0,3 ppm/°C, LTZ1000 - 0,05 ppm/°C [89] ), zaj (LTZ1000 - 1,2 µV pk-pk [89] ) és hosszú távú drift (LTZ1000 - 2 µV/1000h [89] ). A bejelentett mutatókat csak gondos hőmérséklet-szabályozással és az áramkör árnyékolásával, valamint a zener-dióda áramának merev stabilizálásával érik el.

Zener dióda kapcsoló áramkörök

Alapvető párhuzamos szabályozó áramkör

A legegyszerűbb párhuzamos szabályozó egy előtétellenállásból áll, amely sorba van kapcsolva a tápegység és a terhelés közé, valamint egy zener-diódából, amely a terhelést egy közös vezetékre („földre”) söntöli. Feszültségosztónak tekinthető , amely zener diódát használ alsó karjaként. A zener-dióda tápfeszültsége és áttörési feszültsége közötti különbség az előtétellenállásra esik, és a rajta átfolyó tápáram a terhelőáramba és a zener-dióda áramába ágazik. Az ilyen típusú stabilizátorokat parametrikusnak nevezzük: a zener-dióda áram-feszültség karakterisztikája nemlinearitása miatt stabilizálja a feszültséget, és nem használ visszacsatoló áramköröket [90] .

A félvezető zener-diódák parametrikus stabilizátorának kiszámítása hasonló a gázzal töltött eszközök stabilizátorának kiszámításához, egy jelentős különbséggel: a gázzal töltött zener-diódákat küszöbfeszültség - hiszterézis jellemzi. Kapacitív terhelés esetén a gázzal töltött zener dióda öngerjesztett , ezért az ilyen stabilizátorok kialakítása általában nem tartalmaz kapacitív szűrőket, és a tervezőnek nem kell figyelembe vennie ezekben a szűrőkben a tranzienseket. A félvezető zener-diódák stabilizátoraiban nincs hiszterézis, a szűrőkondenzátorok közvetlenül a zener-dióda és a terhelés kapcsaihoz csatlakoznak - ennek eredményeként a tervezőnek figyelembe kell vennie ezen kondenzátorok töltési (kisülési) áramlökéseit, amikor a teljesítmény be van kapcsolva (ki). A legrosszabb esetek, amelyekben a stabilizátorelemek vagy a stabilizáló meghibásodása valószínű, a következők:

• A lehető legnagyobb tápfeszültség ellátása a stabilizátor bemenetére, ha a stabilizátor kimenetének rövidzárlata egy közös vezetékben - például a stabilizátor kimenetére közvetlenül csatlakoztatott lemerült kondenzátor töltése közben, vagy abban az esetben a zener dióda katasztrofális meghibásodása [91] . Az előtétellenállás megengedett teljesítményveszteségének elegendőnek kell lennie ahhoz, hogy ellenálljon egy ilyen rövidzárlatnak. Ellenkező esetben az előtétellenállás megsemmisülése valószínű.
• A lehető legnagyobb tápfeszültség ellátása a stabilizátor bemenetére, amikor a terhelés le van választva a stabilizátor kimenetéről. A zener-dióda megengedett áramának meg kell haladnia az Ohm-törvény által meghatározott, az előtétellenálláson keresztül számított áramot. Ellenkező esetben, ha a zener-dióda kristályát +175 ° C fölé melegítik, a zener-dióda megsemmisül. A biztonságos működés útlevelének betartása ugyanolyan fontos a zener-diódák, mint a tranzisztorok esetében [92] .
• A lehetséges legnagyobb áramerősség terhelés alapján történő kiválasztása, ha a stabilizátor bemenetére a lehető legkisebb tápfeszültség kerül ráadásra. Az előtétellenállás ellenállásának elég kicsinek kell lennie ahhoz, hogy még ilyen körülmények között is az ellenálláson áthaladó áram meghaladja a terhelési áramot a Zener-dióda minimális megengedett áramával egyenlő mértékben. Ellenkező esetben a zener dióda árama megszakad, a stabilizálás leáll.

A gyakorlatban gyakran kiderül, hogy lehetetlen teljesíteni mindhárom feltételt, mind az alkatrészek költsége, mind a zener-dióda működési áramainak korlátozott tartománya miatt. Először is lemondhat a rövidzárlat elleni védelem feltételéről, biztosítékokra vagy tirisztorvédelmi áramkörökre bízva, vagy az áramforrás belső ellenállására hagyatkozhat , amely nem teszi lehetővé a maximális feszültség és a maximális áram leadását. ugyanakkor [93] .

Soros és párhuzamos csatlakozás

A külföldi gyártású zener-diódák dokumentációjában általában nem veszik figyelembe soros vagy párhuzamos csatlakoztatásuk lehetőségét. A szovjet zener-diódák dokumentációjában két megfogalmazás található:

• kis és közepes teljesítményű készülékeknél „bármennyi zener-dióda soros vagy párhuzamos csatlakoztatása megengedett” [egy sorozatból] [94] ;
• közepes és nagy teljesítményű eszközök esetében „bármennyi [ugyanazon sorozatú] zener-dióda soros csatlakoztatása megengedett. A párhuzamos csatlakozás megengedett, feltéve, hogy a párhuzamosan kapcsolt zener-diódák teljes teljesítménydisszisztálása nem haladja meg az egy zener-diódára megengedett maximális teljesítményt [95] .

Különböző sorozatú zener-diódák soros csatlakoztatása lehetséges, feltéve, hogy a soros áramkör üzemi áramai illeszkednek az egyes használt sorozatok útlevél-stabilizáló áramtartományaiba. Nem szükséges a zener-diódákat nagy ellenállású kiegyenlítő ellenállásokkal söntölni, mint az egyenirányító pólusainál. "Bármilyen számú" sorba kapcsolható zener-dióda lehetséges, de a gyakorlatban ezt korlátozzák a nagyfeszültségű eszközök elektromos biztonsági előírásai . Ilyen körülmények között a zener-diódák TKN szerinti kiválasztása és hőmérsékletszabályozása precíziós nagyfeszültségű feszültségszabványok kialakítása lehetséges . Például az 1990-es években a világ legjobb stabilitási mutatói 1 millió V zener szabványt tartalmaztak, amelyet az orosz Megavolt-Metrology cég épített a Kanadai Energiaintézet IREQ megbízásából . Ennek a beállításnak a fő hibája nem haladta meg a 20 ppm -et, és a hőmérsékleti instabilitás nem haladta meg a 2,5 ppm-et a teljes üzemi hőmérséklet-tartományban [38] .

Kompozit zener dióda

Ha az áramkör a műszaki előírások szerint megengedettnél nagyobb áramot és teljesítményt igényel a zener-diódából, akkor a zener-dióda és a terhelés között egy egyenáramú puffererősítőt kell bekapcsolni . A „kompozit zener-dióda” áramkörben egyetlen áramerősítő tranzisztor kollektorátmenete a zener-diódával párhuzamosan, az emitter-átmenet pedig a zener-diódával sorba van kötve. A tranzisztor előfeszítését beállító ellenállást úgy kell megválasztani, hogy a tranzisztor zökkenőmentesen nyíljon olyan zener-dióda áram mellett, amely megközelítőleg megegyezik a névleges stabilizációs áramával. Például az I st.nom. =5 mA és Ube.min . \u003d 500 mV ellenállás R \u003d 500 mV / 5 mA \u003d 100 Ohm, és a „kompozit Zener-dióda” feszültsége megegyezik az U st.nom összegével. és U be.min. . Nagyobb áramok esetén a tranzisztor kinyitja és söntöli a zener diódát, és a zener dióda árama enyhén növekszik - a tranzisztor bázisáramával megegyező mértékben, ezért az első közelítésben az áramkör differenciális ellenállása egy tényezővel csökken β (β a tranzisztor áramerősítése). Az áramkör TKN értéke megegyezik a Zener-dióda TKN-jének algebrai összegével az I st.nom. és egy előrefeszített dióda TBC-je (körülbelül –2 mV/°C), és biztonságos működési területét a gyakorlatban az alkalmazott tranzisztor OBR-je korlátozza [96] [97] .

A kompozit zener-dióda áramkörét nem "egyenáramú" működésre tervezték, hanem könnyen átalakítható kétirányúvá ("kétcsomópontos zener-diódává") egy diódahíd segítségével [97] .

Alapsoros szabályozó áramkör

A legegyszerűbb soros szabályozó áramkör is csak egy zener diódát, egy tranzisztort és egy előtétet tartalmaz, de a benne lévő tranzisztor egy közös kollektoráramkör ( emitter follower ) szerint van bekötve. Egy ilyen stabilizátor hőmérsékleti együtthatója megegyezik az U st.nom algebrai különbséggel . zener dióda és U be.min. tranzisztor; hogy semlegesítse az Ube befolyását.min. gyakorlati áramkörökben a közvetlenül csatlakoztatott VD2 diódát Zener diódával sorba kötik [99] . A vezérlőtranzisztor minimális feszültségesése csökkenthető, ha az előtétellenállást tranzisztoros áramforrásra cseréljük.

Stabilizációs feszültség szorzás

A tipikus kis méretű zener-diódák maximális feszültségét meghaladó feszültség stabilizálásához összeállíthat egy kompozit "nagyfeszültségű zener-diódát", például 200 V-os feszültséget vesz fel sorosan csatlakoztatott zener-diódákból 90, 90 és 20 V. Azonban egy ilyen áramkör zajfeszültsége és instabilitása elfogadhatatlanul magas lehet, és egy nagyfeszültségű áramkör zajának szűrése drága, masszív kondenzátorokat igényel . Az egyetlen alacsony zajszintű, alacsony feszültségű zener-diódát 5 ... 7 V feszültséggel megszorzó áramkör lényegesen jobb tulajdonságokkal rendelkezik. Ebben az áramkörben, valamint a hagyományos termikusan kompenzált zener-diódában a referenciafeszültség egyenlő a zener-dióda áttörési feszültségének és a bipoláris tranzisztor bázis-emitter átmeneti feszültségének összegével. A referenciafeszültség szorzótényezőjét az R2-R3 osztó határozza meg. A tényleges szorzótényező valamivel nagyobb, mint a számított, a tranzisztor alapjába ágazó áram miatt [100] .

Biztonsági és egyszerű telepítési okokból kényelmesebb a pnp tranzisztor használata pozitív feszültségstabilizátorban, és npn tranzisztor a negatív feszültségstabilizátorban. Ezekben a konfigurációkban a teljesítménytranzisztor kollektora elektromosan földelve van, és közvetlenül a házra szerelhető szigetelő távtartók nélkül. A rendelkezésre állás és a költségek miatt egyszerűbb és olcsóbb az npn tranzisztorok használata bármilyen polaritású stabilizátorban. A csöves erősítőkre jellemző feszültségeknél és áramoknál a zener-diódát söntölő kondenzátor kapacitásának több ezer mikrofaradnak kell lennie . Ugyanakkor nem csak a zener-dióda alacsony frekvenciájú zaját szűri ki, hanem egyenletes feszültségnövekedést is biztosít az áramkör indulásakor. Ennek következtében a tápfeszültség bekapcsolásakor az R1 [100] soros ellenállás hőterhelése megnő .

ION egy termikusan kompenzált zener-diódán

A termikusan kompenzált zener-diódákat általában tranzisztorból vagy integrált áramforrásból származó egyenárammal látják el. Az előtétellenállással ellátott alapáramkör használatának nincs értelme, mivel még akkor is, ha az áramkört stabilizált feszültség táplálja, az áram instabilitása elfogadhatatlanul nagy lesz. Az 1 mA áramerősségű kisáramú zener-diódák általában bipoláris tranzisztorok áramforrásairól, pn átmenettel rendelkező térhatású tranzisztorok, 10 mA áramerősségű zener-diódák - beépített MIS tranzisztorok áramforrásairól táplálkoznak. csatorna kimerítési módban. Az LM134 / LM334 család integrált áramforrásai 10 mA-es áramerősséget tesznek lehetővé, de a magas hőmérsékleti instabilitás miatt (+0,336% / ° C) nem javasoltak 1 mA-nél nagyobb áramerősségű áramkörökben való használatra [102] .

A nagy ellenállású, állandó, viszonylag termikusan stabil ellenállású terhelések közvetlenül csatlakoztathatók a zener dióda kivezetéseire. Más esetekben precíziós műveleti erősítőn vagy diszkrét bipoláris tranzisztorokon alapuló puffererősítőt kapcsolnak be a Zener-dióda és a terhelés között . Az ilyen jól megtervezett áramkörökben, amelyek hosszú távú elektromos hőképzésen estek át, a hosszú távú működés során az instabilitás körülbelül 100 ppm havonta [103]  , ami lényegesen magasabb, mint a precíziós integrált ionok azonos mutatója .

Zener dióda fehér zaj generátor

A lavinatörés zener-dióda belső zajának spektruma közel van a fehér zajhoz . A 9 ... 12 V feszültségű zener-diódákban a zajszint elég magas ahhoz, hogy célzott zajkeltésre lehessen használni. Az ilyen oszcillátor frekvenciatartományát a feszültségerősítő sávszélessége határozza meg , és több száz MHz-ig terjedhet. Az alábbi ábrákon az erősítők két lehetséges kialakítása látható: az első esetben az erősítő felső határfrekvenciáját (1 MHz) a C2 kapacitás [104] , a második esetben az integrált erősítők sávszélessége határozza meg. (900 MHz) és a telepítés minősége [105] .

Egy adott zener-dióda zajszintje alig megjósolható, és csak empirikusan határozható meg [105] . A zener-diódák korai sorozatának némelyike ​​különösen zajos volt, de a technológia fejlődésével ezeket alacsony zajszintű eszközökre cserélték. Ezért a soros termékekben indokoltabb nem zener diódák, hanem nagyfrekvenciás bipoláris tranzisztorok használata fordított kapcsolásban, például a 2N918 tranzisztort még az 1960-as években fejlesztették ki - ennek zajspektruma 1 GHz-ig terjed [106] .

Programozható jumperek zener diódákon

Az integrált síkbeli npn tranzisztor ("felületi Zener-dióda") fordított előfeszítésű emitter átmenetén alapuló zener-dióda kis stabilizációs áramkorlátban különbözik a diszkrét zener-diódáktól. Egy tipikus alumínium fémezett emitter szerkezetben megengedett maximális fordított áram nem haladja meg a 100 µA-t. Nagyobb áramerősség esetén a felszínhez közeli rétegben egy szemmel látható villanás történik, az oxidréteg alatt pedig egy alumínium jumper jelenik meg , ami örökre mintegy 1 Ohm ellenállású ellenállássá változtatja a halott Zener-diódát [34] [35] .

Az integrált zener-diódák ezt a hátrányát széles körben használják az analóg integrált áramkörök gyártásában a paramétereik finomhangolására. A zener zapping technológiában az elemi zener dióda  cellákat a kapcsolt ellenállásokkal párhuzamosan alakítják ki. Ha módosítani kell az áramkör ellenállásértékét vagy a feszültségosztó arányát, a szükségtelen zener-diódacellákat 5 ms időtartamú és 0,3-1,8 A teljesítményű áramimpulzusok égetik ki, rövidre zárva a megfelelő ellenállásokat. Ugyanez a technika alkalmazható alumínium bevonatú digitális IC-knél [34] [35] .

Jegyzetek

1. ↑ 1 2 3 4 Zee, 1984 , p. 122.
2. ↑ 1 2 GOST 15133-77, 1987 , p. 13, 91. definíció.
3. ↑ TVS/Zener elmélet és tervezés, 2005 , p. 7.
4. ↑ Gershunsky et al., 1975 , p. 235, 237.
5. ↑ Diódák, Zener-diódák, tirisztorok, 1988 , pp. 11, 12.
6. ↑ Harrison, 2005 , p. 364.
7. ↑ GOST 15133-77, 1987 , p. 13, 91. definíció.
8. ↑ Earls, A.R.; Edwards, R.E. Raytheon Company: Az első hatvan év. - Arcadia Kiadó, 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, 85. definíció.
12. ↑ 1 2 Gottlieb, 2002 , p. 332.
13. ↑ Mikroáramkörök lineáris tápegységekhez és alkalmazásuk . - 2. kiadás - Dodeka, 1998. - S.  219 , 220, 225-228. — ISBN 5878350211 .
14. ↑ A TL431 áramkör teljes elemzését lásd: Basso, C. A TL431 kapcsolóüzemű tápegység hurkok: I. rész  // ON Semiconductor . - 2009. Archiválva : 2012. szeptember 5.
15. ↑ Diódák, Zener-diódák, tirisztorok, 1988 , p. 394-398.
16. ↑ 1 2 Amos, Stanley et al. Newnes elektronikai szótár . - 4. kiadás .. - Oxford: Newnes / Elsevier, 1999. - S. 22. - 389 p. — ISBN 9780750643313 . Archiválva : 2014. október 24. a Wayback Machine -nál
17. ↑ Kolesnikov, 1991 , p. 333.
18. ↑ GOST 15133-77, 1987 , p. 11, 75. definíció.
19. ↑ Harrison, 2005 , p. 372, 13.7. ábra.
20. ↑ Zee, 1984 , p. 103-104, 122.
21. ↑ Tsuchida, H.; Nakayama, K.; Sugawara, Y. 20V-400A SiC Zener diódák kiváló hőmérsékleti együtthatóval  // Teljesítmény Semiconductor Devices and IC's, 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 // Anyagtudományi Fórum. - 2010. - T. Szilícium-karbid és kapcsolódó anyagok 2010 . - S. 559-562 . doi : 10.4028/www.scientific.net / MSF.679-680.559 .
22. ↑ 1 2 3 4 Bazu, Bajenescu, 2011 , 5.3.1.4 fejezet, Z-diódák.
23. ↑ Zener, C. A szilárd dielektrikumok elektromos meghibásodásának elmélete  // Proceedings of the Royal Society, London A 2. - 1934. - Vol. 145, 855. sz . - 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. Fordítási hiba: „kis differenciálellenállás” a „nagy” helyett (az eredeti „rossz impedancia specifikációkban”).
30. ↑ 1 2 3 4 5 TVS/Zener elmélet és tervezés, 2005 , p. tíz.
31. ↑ TVS/Zener elmélet és tervezés, 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 Intelligens, alacsony teljesítményű kapcsoló . Nemzetközi egyenirányító (2010). Letöltve: 2012. november 22. Az eredetiből archiválva : 2012. november 26.. (határozatlan)
37. ↑ 12 Harrison , 2005 , pp. 417-420.
38. ↑ 1 2 3 Averbukh, V. Precíziós referencia feszültségforrások  // Dodeka. - 2000. Archiválva : 2016. március 4.
39. ↑ Pease, 2001 , p. 113.
40. ↑ Az intelligens tranzisztorok részletes (de meglehetősen elavult) áttekintését lásd: Hayes, A. Bevezetés az intelligens teljesítménybe . ST Microelectronics (1999). Letöltve: 2012. november 22. (határozatlan)
41. ↑ Gershunsky et al., 1975 , p. 238, 239.
42. ↑ 1 2 NASA, 1988 , p. 4-58.
43. ↑ Gershunsky et al., 1975 , p. 237, 239.
44. ↑ Gershunsky et al., 1975 , p. 240, 241.
45. ↑ NASA, 1988 , p. 4-59,4-63.
46. ↑ Gershunsky et al., 1975 , p. 239, 240.
47. ↑ NASA, 1988 , p. 4-60.
48. ↑ Gershunsky et al., 1975 , p. 240.
49. ↑ NASA, 1988 , p. 4-61.
50. ↑ Camenzind, 2005 , p. 2-12.
51. ↑ GOST 25529-82, 1986 , p. 11., 81. és 82. meghatározás.
52. ↑ Harrison, 2005 , p. 369.
53. ↑ PLVA2600A sorozatú kisfeszültségű lavinaszabályozó kettős diódák (nem elérhető link) . NXP félvezetők . Letöltve: 2012. november 22. Az eredetiből archiválva : 2012. május 13.. (határozatlan) 
54. ↑ Diódák, Zener-diódák, tirisztorok, 1988 , p. 290–292 (adatok a 2S133V, 2S133G sorozatból).
55. ↑ Horowitz & Hill 1986 , p. 315. ábra. 5.18.
56. ↑ GOST 25529-82, 1986 , p. 12, 84. definíció.
57. ↑ Harrison, 2005 , pp. 376.
58. ↑ NASA, 1988 , p. 4-56.
59. ↑ Diódák, Zener-diódák, tirisztorok, 1988 , p. 290-292.
60. ↑ Alacsony feszültségű lavina zener diódák . Knox félvezető. Letöltve: 2012. november 22. Az eredetiből archiválva : 2012. november 26..  (határozatlan) , 1N6083/LVA347 sorozat adatai
61. ↑ Horowitz & Hill 1986 , p. 315-316.
62. ↑ GOST 25529-82, 1986 , p. 12, 85. definíció.
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: Alacsony költségű precíziós referencia . Thaler Corporation (2000-07-01). Letöltve: 2012. november 1. Az eredetiből archiválva : 2012. november 26..  (határozatlan) . VRE3050J sorozat adatai. 2012-ben az Apex Microtechnology gyártotta, amely a Cirrus Logic cégtől vált ki, és örökölte az ION Thaler vonalat.
69. ↑ NASA, 1988 , p. 4-72, 4-73.
70. ↑ 1 2 NASA, 1988 , p. 4-71.
71. ↑ NASA, 1988 , p. 4-75: "Az előzmények azt mutatják, hogy a dióda meghibásodásának legnagyobb oka a megengedett hő- és elektromos feszültség feletti működés."
72. ↑ Harrison, 2005 , p. 382.
73. ↑ Harrison, 2005 , pp. 376-377.
74. ↑ Harrison, 2005 , pp. 379-380.
75. ↑ 123 NZX sorozat . Egyetlen zener diódák. Termék adatlap (downlink) . NXP félvezetők . Letöltve: 2012. november 22. Az eredetiből archiválva : 2012. szeptember 7.. (határozatlan) 
76. ↑ Harrison, 2005 , pp. 393, 394.
77. ↑ Harrison, 2005 , p. 400.
78. ↑ 12. Harrison , 2005 , p. 394.
79. ↑ Diódák, Zener-diódák, tirisztorok, 1988 , p. 357.
80. ↑ NASA, 1988 , p. 4-57.
81. ↑ 1 2 1N821 - 1N829A-1 DO-7 6,2 és 6,55 Volt hőmérséklet-kompenzált Zener referenciadiódák . Microsemi Corporation (2003). Letöltve: 2012. november 28. (határozatlan)
82. ↑ Diódák, Zener-diódák, tirisztorok, 1988 , p. 349.
83. ↑ Harrison, 2005 , pp. 398-399.
84. ↑ 1N4565 - 1N4584A-1 DO-7 6,4 V hőmérséklet-kompenzált Zener referenciadiódák . Microsemi Corporation (2003). Letöltve: 2012. november 28. (határozatlan)
85. ↑ Diódák, Zener-diódák, tirisztorok, 1988 , p. 347.
86. ↑ Jelenlegi GOST 2.730-73 „Egységes rendszer a tervdokumentációhoz. Feltételes grafikai jelölések sémákban. Félvezető eszközök" nem ad külön jelölést a precíziós kompozit eszközökre
87. ↑ Mitchell, L. A feszültségreferenciák megértése és alkalmazása  // Lineáris technológia . - 1999. - Sz. Pályázati megjegyzés 82 . Archiválva az eredetiből 2012. október 21-én.
88. ↑ Fluke Corporation . Gyakorlati megközelítés az egyenáramú referenciaszabványok fenntartására // Fluke Corporation . - 2000. - 6. o.
89. ↑ 1 2 3 LTZ1000/LTZ1000A: Ultra Precision Reference (a link nem érhető el) . Lineáris technológia (1987). Letöltve: 2012. november 1. Az eredetiből archiválva : 2012. november 26.. (határozatlan) 
90. ↑ GOST 23419-79 "Rádióelektronikai berendezések másodlagos tápellátásának eszközei". - A változás figyelembevétele 1. - A Szovjetunió Gosstandartja, 1985. - 2. o., definíció 11. - 4 p.
91. ↑ Harrison, 2005 , p. 378: Ha egy zener dióda meghibásodik, a kimenetei általában rövidre zárnak.
92. ↑ Harrison, 2005 , pp. 376-379.
93. ↑ Harrison, 2005 , p. 378.
94. ↑ Diódák, Zener-diódák, tirisztorok, 1988 , p. 290-292 (adatok a 2S133V, 2S133G sorozatból) vagy 269 (adatok a D814 sorozatból) stb.
95. ↑ Erőteljes félvezető diódák, 1985 , p. 126 (referencia adatsor D815), stb.
96. ↑ Harrison, 2005 , pp. 382-386.
97. ↑ 1 2 Pease, 2001 , p. 116. ábra. 6.4.
98. ↑ Harrison, 2005 , p. 387. o. 13.15.
99. ↑ Harrison, 2005 , pp. 386-387.
100. ↑ 1 2 Broskie, J. Tárgy: Virtuális Zener  // Tube CAD Journal. - 1999. - 1999. december szám . — P. 17. Az eredetiből archiválva : 2016. március 4.
101. ↑ Harrison, 2005 , p. 398. ábra. 13.26.
102. ↑ Harrison, 2005 , pp. 397, 398.
103. ↑ Harrison, 2005 , pp. 395, 396.
104. ↑ Fehér zaj generátor // Rádió. - 1979. - 9. sz . - S. 58 .
105. ↑ 1 2 Olcsó fehérzajgenerátor építése  // Maxim Integrated Application Notes. - 2005. - AN 3469 sz . Az eredetiből archiválva: 2012. december 2.
106. ↑ Hickman, I. Hickman analóg és RF áramkörök. - Newnes, 1998. - P. 145-150. – 320 p. — ISBN 9780750637428 .

Források

• Gottlieb, I. M. Áramforrások. Inverterek, konverterek, lineáris és kapcsolóstabilizátorok. - Postapiac, 2002. - 544 p. — ISBN 5901095057 .
• Gershunsky, B. S. és munkatársai: Útmutató az elektronikus technológia alapjairól. - Kijev: "Vishcha school" kiadó a Kijevi Állami Egyetemen, 1975. - 352 p. - 86.000 példány.
• GOST 15133-77 „Félvezető eszközök. Kifejezések és meghatározások". - A változtatás jogát fenntartjuk 1-4. - A Szovjetunió Gosstandartja, 1987. - 30 p.
• GOST 25529-82 „Félvezető diódák. A paraméterek fogalmai, definíciói és betűjelei. - a változás figyelembevételével 1. - Az Orosz Föderáció Gosstandartja, 1986. - 28 p.
• Zee, S. M. Félvezető eszközök fizikája. - M . : Mir, 1984. - T. 1. - 456 p. - 16.000 példány.
• Kolesnikov, V. G. és mások Elektronika. Enciklopédiai szótár. - M . : Szovjet Enciklopédia, 1991. - 688 p. — ISBN 5852700622 .
• Mikroáramkörök lineáris tápegységekhez és alkalmazásuk. - 2. kiadás - M . : Dodeka, 1998. - ISBN 5878350211 .
• Erőteljes félvezető diódák / szerk. A. V. Golomedova. - M . : Rádió és kommunikáció, 1985. - 400 p. — 50.000 példány.
• Pease, R. Analóg eszközök gyakorlati elektronikája. - M. : DMK-Press, 2001. - ISBN 5940740049 .
• Félvezető eszközök. Egyenirányító diódák, Zener diódák, tirisztorok / szerk. A. V. Golomedova. - M . : Rádió és kommunikáció, 1988. - 528 p. — 100.000 példány.  — ISBN 5256001450 .
• Horowitz, P., Hill, W. The Art of Circuitry . - 3. kiadás - M . : Mir, 1986. - T. 1. - 598 p. — 50.000 példány.
• Bazu, M.; Bajenescu, T. Hibaelemzés : Gyakorlati útmutató elektronikai alkatrészek és rendszerek gyártói számára . - Wiley, 2011. - 344 p. — ISBN 9781119990000 .
• Camenzind, H. Analóg áramkörök tervezése . - Virtualbookworm Kiadó, 2005. - 244 p. — ISBN 9781589397187 . Archiválva: 2018. március 10. aWayback Machine
• Harrison, L. Áramforrások és feszültségreferenciák. - Newnes, 2005. - 569 p. – (Elektronika és elektromosság). — ISBN 9780750677523 .
• NASA alkatrészek alkalmazási kézikönyv. 2. kötet: Diódák, tranzisztorok, mikrohullámú készülékek (MIL-HDBK-978-B) . – NASA , 1988.
• TVS/Zener elmélet és tervezési szempontok . - ON Semiconductor , 2005. - 127 p.

Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán Nagy orosz Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4190693-7