دیود زنر
پنجشنبه, ۲۶ آبان ۱۳۹۰، ۰۲:۰۸ ب.ظ
دیود های زنر یا شکست ، دیود های نیمه هادی با پیوند
p-n هستند که در ناحیه بایاس معکوس کار کرده و دارای کاربردهای زیادی در
الکترونیک ، مخصوصآ به عنوان ولتاژ مبنا و یا تثبیت کننده ی ولتاژ دارند.
هنگامیکه پتانسیل الکتریکی دو سر دیود را در جهت معکوس
افزایش دهیم در ولتاژ خاصی پدیده شکست اتفاق می افتد، بد ین معنی که با
افزایش بیشتر ولتاژ ، جریان بطور سریع و ناگهانی افزایش خواهد داشت. دیود
های زنر یا شکست دیود هایی هستند که در این ناحیه یعنی ناحیه شکست کار
میکنند و ظرفیت حرارتی آنها طوری است که قادر به تحمل محدود جریانمعینی در
حالت شکست می باشند، برای توجیه فیزیکی پدیده شکست دو نوع مکانیسم وجود
دارد.
مکانیسم اول در ولتاژهای کمتر از 6 ولت برای دیودهایی که غلظت
حامل ها در آن زیاد است اتفاق می افتد و به پدیده شکست زنر مشهور است. در
این نوع دیود ها به علت زیاد بودن غلظت ناخالصی ها در دو قسمت p و n ، عرض
منطقه ی بار فضای پیوند باریک بوده و در نتیجه با قرار دادن یک اختلاف
پتانسیل v بر روی دیود (پتانسیل معکوس) ، میدان الکتریکی زیادی در منطقه ی
پیوند ایجاد می شود.
با افزایش پتانسیل v به حدی می رسیمکه نیروی حاصل
از میدان الکتریکی ، یکی از پیوند های کووالانسی را می شکند. با افزایش
بیشتر پتانسیل دو سر دیود از انجایی که انرژی یا نیروهای پیوند کووالانسی
باند ظرفیت در کریستال نیمه هادی تقریبأ مساوی صفر است ، پتانسیل تغییر
چندانی نکرده ، بلکه تعداد بیشتری از پیوندهای ظرفیتی شکسته شده و جریان
دیود افزایش می یابد.
آزمایش نشان میدهد که ضریب حرارتی ولتاژ شکست برای
این نوع دیود منفی است ، یعنی با افزایش درجه حرارت ولتاژ شکست کاهش می یا
بد. بنابر این دیود با ولتاژ کمتری به حالت شکست می رود (انرژی باند غدغن
برای سیلیکن و ژرمانیم در درجه حرارت صفر مطلق بترتیب 1.21 و0.785
الکترون_ولت است، و در درجه حرارت 300 درجه کلوین این انرژی برای سیلیکن ev
1.1و برای ژرمانیم ev0.72 خواهد بود). ثابت می شود که می دان الکتریکی
لازم برای ایجاد پدیده زنر در حدود 2*10است.
این مقدار برای دیود هایی
که در آنها غلظت حامل ها خیلی زیاد است در ولتاژهای کمتر از 6 ولت ایجاد می
شود . برای دیودهایی که دارای غلظت حاملهای کمتری هستند ولتاژ شکست زنر
بالاتر بوده و پدیده ی دیگری بنام شکست بهمنی در آنها اتفاق می افتد (قبل
از شکست زنر) که ذیلأ به بررسی آن می پردازیم.
مکانیسم دیگری که برای
پدیده شکست ذکر می شود ، مکانیسم شکست بهمنی است. این مکانیسم در مورد
دیودهایی که ولتاژ شکست آنها بیشتر از 6 ولت است صادق می باشد . در این
دیود ها به علت کم بودن غلظت ناخالصی ، عرض منطقه ی بار فضا زیاد بوده و
میدان الکتریکی کافی برای شکستن پیوندهای کووالانسی بوجود نمی آید ، بلکه
حاملهای اقلیتی که بواسطه انرژی حرارتی آزاد می شود ، در اثر میدان
الکتریکی شتاب گرفته و انرژی جنبشی کافی بدست آورده و در بار فضا با یون
های کریستال برخورد کرده و در نتیجه پیوندهای کووالانسی را می شکنند . با
شکستن هر پیوند حاملهای ایجاد شده که خود باعث شکستن پیوند های بیشتر می
شوند .
بدین ترتیب پیوندها بطور تصاعدی یا زنجیری و یا بصورت پدیده ی
بهمنی شکسته می شوند و این باعث می شود که ولتاژ دو سر دیود تقریبأ ثابت
مانده و جریان آن افزایش یافته و بواسطه ی مدار خارجی محدود می شود . چنین
دیود هایی دارای ضریب درجه ی حرارتی مثبت هستند . زیرا با افزایش درجه ی
حرارت اتمهای متشکله کریستال به ارتعاش در آورده ، در نتیجه احتمال برخورد
حاملهای اقلیت با یونها ، بهنگام عبور از منطقه بار فضا زیادتر می گردد .
به علت زیاد شدن برخوردها احتمال اینکه انرژی جنبشی حفره یا الکترون بین دو
برخورد متوالی بمقدار لازم برای شکست پیوند برسد کمتر شده و در نتیجه
ولتاژ شکست افزایش می یابد.
