Comment fonctionne une diode Zener
La diode Zener ou la diode zener (diode zener semi-conductrice) est une diode spéciale qui fonctionne en mode de claquage stable dans des conditions de polarisation inverse de la jonction pn. Jusqu'à ce que ce claquage se produise, seul un très petit courant traverse la diode Zener, le courant de fuite, en raison de la résistance élevée de la diode Zener fermée.
Mais lorsqu'un défaut se produit, le courant augmente instantanément car la résistance différentielle du zener est à ce stade de fractions à des centaines d'ohms. De cette manière, la tension aux bornes de la diode zener est maintenue très précisément sur une plage relativement large de courants inverses.
La diode Zener est appelée diode Zener (de l'anglais Zener diode) en l'honneur du scientifique qui a découvert le phénomène de claquage tunnel, le physicien américain Clarence Melvin Zener (1905 - 1993).
Le claquage électrique de la jonction pn, découvert par Zener, lié à l'effet tunnel, le phénomène de fuite d'électrons à travers une mince barrière de potentiel, est maintenant appelé l'effet zener, qui sert aujourd'hui dans les diodes Zener à semi-conducteurs.
L'image physique de l'effet est la suivante.Dans la polarisation inverse de la jonction pn, les bandes d'énergie se chevauchent et les électrons peuvent se déplacer de la bande de valence de la région p à la bande de conduction de la région n, en raison de champ électrique, cela augmente le nombre de porteurs de charge libres et le courant inverse augmente fortement.
Ainsi, le but principal de la diode Zener est de stabiliser la tension. L'industrie produit des diodes Zener à semi-conducteurs avec des tensions de stabilisation de 1,8 V à 400 V, haute, moyenne et basse puissance, qui diffèrent par le courant inverse maximal autorisé.
Des stabilisateurs de tension simples sont fabriqués sur cette base. Dans les schémas, les diodes Zener sont indiquées par un symbole similaire au symbole de la diode, à la seule différence que la cathode des diodes Zener est représentée sous la forme de la lettre «G».
Les diodes Zener à structure intégrée latente, avec une tension de stabilisation d'environ 7 V, sont les sources de référence de tension à l'état solide les plus précises et les plus stables : leurs meilleurs exemples sont typiquement proches de la cellule galvanique Weston normale (cellule galvanique de référence mercure cadmium) .
Les diodes à avalanche haute tension ("diodes TVS" et "suppresseurs"), largement utilisées dans les circuits de protection contre les surtensions de tous types d'équipements, appartiennent à un type spécial de diodes Zener.
Comme vous pouvez le voir, la diode Zener, contrairement à la diode conventionnelle, fonctionne sur la branche inverse de la caractéristique I — V. Dans une diode ordinaire, si une tension inverse lui est appliquée, une défaillance peut se produire de l'une des trois manières suivantes (ou toutes à la fois): panne de tunnel, panne d'avalanche et panne due à l'échauffement thermique des courants de fuite.
Le claquage thermique des diodes Zener au silicium n'est pas important car ils sont conçus de manière à ce que le claquage tunnel, le claquage par avalanche ou les deux types de claquage se produisent simultanément bien avant la tendance au claquage thermique. Les diodes Zener en série sont actuellement constituées principalement de silicium.
Un claquage à une tension inférieure à 5 V est une manifestation de l'effet Zener, un claquage au-dessus de 5 V est une manifestation d'un claquage par avalanche. Une tension de claquage intermédiaire d'environ 5 V résulte généralement d'une combinaison de ces deux effets. L'intensité du champ électrique au moment du claquage de la diode Zener est d'environ 30 MV/m.
Le claquage de la diode Zener se produit dans les semi-conducteurs modérément dopés de type P et les semi-conducteurs fortement dopés de type N. Lorsque la température de jonction augmente, le décapage de la diode Zener diminue et la contribution du claquage par avalanche augmente.
Les diodes Zener ont les caractéristiques typiques suivantes. Vz — tension de stabilisation. La documentation précise deux valeurs pour ce paramètre : la tension de stabilisation maximale et minimale. Iz est le courant minimum de stabilisation. Zz est la résistance de la diode Zener. Izk et Zzk — résistance actuelle et dynamique au courant continu. Ir et Vr sont le courant et la tension de fuite maximum à une température donnée. Tc est le coefficient de température. Izrm — courant de stabilisation maximal de la diode zener.
Les diodes Zener sont largement utilisées comme éléments stabilisateurs indépendants, ainsi que comme sources de tensions de référence (tensions de référence) dans les stabilisateurs de transistors.
Pour obtenir de petites tensions de référence, les diodes Zener sont également allumées dans le sens direct, comme les diodes ordinaires, puis la tension de stabilisation d'une diode Zener sera de 0,7 à 0,8 volts.
La puissance maximale dissipée par le corps d'une diode Zener est généralement comprise entre 0,125 et 1 watt. Ceci, en règle générale, est suffisant pour le fonctionnement normal des circuits de protection contre le bruit impulsionnel et pour la construction de stabilisateurs de faible puissance.