26

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 6/2002

Na pierwszy rzut oka

dioda Zenera jest

niezwykle prostym

urz¹dzeniem

pó³przewodnikowym,

sk³adaj¹cym siê tylko

z jednego z³¹cza p-n,

którego napiêcie

przebicia zosta³o

starannie dobrane

w technologicznym

procesie produkcji.

Jednak¿e, jeœli wzi¹æ pod

uwagê termiczne

w³aœciwoœci

pó³przewodnikowego

zl¹cza diody Zenera,

a zw³aszcza

charakterystyki jego

wspó³czynnika

termicznego, wówczas

sprawy nie wygl¹daj¹

ju¿ tak prosto.

N

a rys. 1 przedstawiono charak-

terystykê pr¹dowo-napiêciow¹

typowej diody Zenera. Mo¿na

na niej wyró¿niæ obszar przewo-

dzenia (forward characteristic), obszar po-

laryzacji zaporowej (leakage region) oraz

obszar przebicia z³¹cza (breakdown

region).

Charakterystyka pr¹dowo-napiêciowa dio-

dy Zenera w obszarze przewodzenia oraz

w obszarze polaryzacji zaporowej mo¿e

zostaæ z du¿¹ dok³adnoœci¹ przybli¿ona

wzorem:

W temperaturze pokojowej czynnik KT/q wy-

nosi oko³o 26 mV. Z kolei czynnik I

R

, zwa-

ny pr¹dem up³ywu z³¹cza spolaryzowane-

go w kierunku zaporowym (reverse leakage

current), zale¿y od parametrów fizycznych

z³¹cza p-n (poziom domieszkowania oraz

pole powierzchni obszaru z³¹cza), a tak¿e

od jego temperatury (ruchliwoœæ noœników

³adunku). Fakt ten powoduje, ¿e charakte-

I

I e

F

R

qU
kT

=

rystyka diody Zenera zmienia swój kszta³t

wraz ze wzrostem temperatury. Na rys. 2

przedstawiono, jak zmienia siê charaktery-

styka diody Zenera spolaryzowanej w kie-

runku przewodzenia w przypadku, gdy tem-

peratura z³¹cza zmienia siê w zakresie od

_55 do 150

o

C.

W analizy rys. 2 wynika, ¿e przy sta³ym na-

piêciu polaryzacji diody Zenera w kierunku

przewodzenia przep³ywaj¹cy przez nie pr¹d

równie¿ wzrasta wraz ze wzrostem tempe-

ratury z³¹cza.

Na rys. 3 przedstawiono, jak zmienia siê

charakterystyka pr¹dowo-napiêciowa diody

Zenera spolaryzowanej w kierunku zaporo-

wym wraz ze zmianami temperatury z³¹-

cza w zakresie od _55 do +150

o

C.

Z rys. 3 wynika, ¿e przy sta³ej wartoœci na-

piêcia polaryzacji zaporowej diody Zenera

wraz ze wzrostem temperatury z³¹cza mo¿-

na jednoczeœnie zaobserwowaæ wzrost war-

toœci przep³ywaj¹cego przez z³¹cze pr¹du

up³ywu (leakage current).

Do tego momentu w³aœciwoœci diody Ze-

nera nie ró¿ni¹ siê niczym od w³aœciwoœci

zwyk³ej diody pó³przewodnikowej. Jednak-

¿e w przypadku diody Zenera dla pewnej

wartoœci napiêcia polaryzacji w kierunku

zaporowym (ustalonej podczas technolo-

gicznych procesów produkcji i zale¿nej od

poziomu domieszkowania obszarów z³¹-

cza p-n diody) obserwuje siê gwa³towny

wzrost przep³ywaj¹cego pr¹du _ jest to tak

zwane zjawisko przebicia z³¹cza (break-

down), a napiêcie, przy którym zjawisko to

wystêpuje nazywane jest napiêciem przebi-

cia (breakdown voltage) lub napiêciem Ze-

nera. Napiêcie Zenera równie¿ silnie zale-

¿y od zmian temperatury z³¹cza, co przed-

stawiono na rys. 4.

Na rys. 4 przedstawiono, jak zmienia siê na-

piêcie Zenera w sytuacji, gdy temperatura z³¹-

cza wzrasta od _55 do 150

o

C. Jak wynika

z analizy rysunku 4, wzrost temperatury z³¹-

cza powoduje jednoczesny wzrost wartoœci

napiêcia Zenera i trzeba podkreœliæ, ¿e jest to

wzrost znaczny, siêgaj¹cy nawet do kilku-

nastu procent jego wartoœci nominalnej.

Z kolei na rys. 5 przedstawiono w powiêk-

szeniu obszar charakterystyki pr¹dowo-na-

piêciowej diody, w którym wystêpuje zjawi-

sko przebicia. Jak widaæ na powiêkszeniu,

pr¹d przebicia nie osi¹ga od razu swej ma-

ksymalnej wartoœci, ale na jego wzrost sk³a-

da siê ca³a seria skokowych impulsów

O NIEKTÓRYCH TERMICZNYCH

W£AŒCIWOŒCIACH DIOD ZENERA

r

PORADNIK

ELEKTRONIKA

Rys. 1. Charakterystyka pr¹dowo-napiêciowa

typowej diody Zenera

(Napiêcia i pr¹dy _ U

F

, I

F

_ w kierunku przewodzenia,

U

R

, I

R

_ w kierunku zaporowym)

Rys. 2. Zmiany charakterystyki pr¹dowo-napiêcio-

wej diody Zenera spolaryzowanej w kierunku

przewodzenia w zale¿noœci

od wzrostu temperatury z³¹cza

Rys. 3. Zmiany charakterystyki

pr¹dowo-napiêciowej diody Zenera

spolaryzowanej w kierunku zaporowym

w zale¿noœci od wzrostu temperatury z³¹cza

Rys. 4. Zmiany wartoœci napiêcia Zenera

wraz ze wzrostem temperatury

(T

j

_ temperatura z³¹cza, T

A

_ temperatura otoczenia)

Obszar przewodzenia

Obszar polaryzacji

zaporowej

Obszar

przebicia

U

F

I

R

I

F

U

R

U

F

[V]

U

R

[V]

Napiêcie Zenera U

Z

[V]

I

F

[mA]

I

R

[mA]

Pr¹d ¿enera I

Z

[mA]

10000

27

zwiêkszaj¹cych stopniowo natê¿enie pr¹du

przep³ywaj¹cego przez z³¹cze. Zjawisko to

mo¿na wyt³umaczyæ w ten sposób, ¿e prze-

bicie z³¹cza, polegaj¹ce na lawinowym wzro-

œcie liczby ³adunków, nie pojawia siê jedno-

czeœnie w ca³ym obszarze z³¹cza, ale stop-

niowo w kolejnych jego mikroskopijnych

fragmentach, co jest bezpoœredni¹ przy-

czyn¹ skokowych za³amañ wystêpuj¹cych

na zagiêciu (tzw. kolanie) charakterystyki

pr¹dowo-napiêciowej diody.

Nastêpnym ciekawym faktem, zwi¹zanym

z termicznymi efektami wystêpuj¹cymi w dio-

dach Zenera, jest zale¿noœæ wartoœci ter-

micznego wspó³czynnika zmian napiêcia

Zenera od nominalnej wartoœci napiêcia

Zenera, na które dioda zosta³a zaprojekto-

wana. Otó¿ w zakresie napiêæ Zenera poni-

¿ej 3 V oraz powy¿ej 8 V wykres zmian

wspó³czynnika temperaturowego w zale¿no-

œci od nominalnej wartoœci napiêcia Zene-

ra jest bardzo zbli¿ony do linii prostej, co

zilustrowano na rys. 6.

Niestety, w zakresie napiêæ Zenera miêdzy

3 V i 8 V sprawy znacznie siê komplikuj¹.

Jak widaæ na rys. 6 wartoœæ wspó³czynni-

ka termicznego w rozwa¿anym zakresie

napiêæ Zenera silnie zale¿y od natê¿enia

pr¹du przep³ywaj¹cego przez diodê. Na

przyk³ad, w przypadku diody Zenera za-

projektowanej na 5 V, wartoœæ wspó³czynni-

ka termicznych zmian napiêcia Zenera zmie-

nia siê od _2 mV/

o

C do 1 mV/

o

C, gdy na-

tê¿enie pr¹du przep³ywaj¹cego przez z³¹cze

wzrasta od 0,01 mA do 30 mA. Zjawisko to

zwi¹zane jest z nagrzewaniem siê obszaru

z³¹cza wskutek przep³ywu przez niego pr¹-

du oraz z faktem zale¿noœci wartoœci ter-

micznego wspó³czynnika zmian wartoœci

napiêcia Zenera od temperatury z³¹cza.

Zatem widaæ, ¿e przewidywanie zmian war-

toœci napiêcia Zenera w zakresie od 3 V do

8 V nie jest ³atwe, poniewa¿ w kalkulacjach

nale¿y uwzglêdniæ nie tylko temperaturê oto-

czenia, ale równie¿ wartoœæ pr¹du przep³ywa-

j¹cego przez z³¹cze. Sprawa komplikuje siê

jeszcze bardziej, je¿eli uwzglêdni siê du¿y

rozrzut charakterystyk poszczególnych eg-

zemplarzy diod Zenera, które mog¹ czasami

znacznie odbiegaæ od charakterystyki nomi-

nalnej, co przedstawiono na rys. 7.

Oczywiœcie, wszystkie wymienione fakty

sprawiaj¹, ¿e analityczne przewidywanie

termicznych zmian wartoœci napiêcia

Zenera jest niezwykle trudne, zatem w prak-

tyce najczêœciej pos³uguje siê w tym celu

wykresami otrzymanymi drog¹ ekspery-

mentaln¹. Przyk³adowy wykres tego typu

zamieszczono na rys. 8, gdzie przed-

stawiono, jak zmienia siê bezwzglêdna war-

toœæ napiêcia Zenera przy ró¿nych jego

nominalnych wartoœciach w sytuacji, gdy

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 6/2002

napiêcia Zenera w czasie. Zjawisko to ma

szczególne znaczenie w sytuacji, gdy pr¹d

przep³ywaj¹cy przez z³¹cze osi¹ga znaczne

wartoœci i jego przep³yw powoduje stopniowe

nagrzewanie siê obszaru z³¹cza, wskutek

czego wartoœæ jego wspó³czynnika tempera-

turowego, a zatem i wartoœæ samego napiê-

cia Zenera, ulega zmianie w czasie. Na rys.

9 przedstawiono zmiany napiêcia Zenera

w funkcji czasu w diodzie zaprojektowanej na

napiêcie nominalne 160 V w sytuacji, gdy

przep³ywaj¹cy przez ni¹ pr¹d powoduje wy-

dzielanie siê w obszarze z³¹cza mocy ciepl-

nej równej 500 mW.

Jak widaæ na rys. 9 napiêcie na z³¹czu dio-

dy Zenera stabilizuje siê ostatecznie na po-

ziomie oko³o 166 V (dodatnia wartoœæ wspó³-

czynnika temperaturowego) po up³ywie

mniej wiêcej 100 sekund.

Na zakoñczenie nale¿y jeszcze raz pod-

kreœliæ, ¿e zjawiska termiczne zachodz¹ce

w obszarze z³¹cza pó³przewodnikowego

diody Zenera maj¹ bardzo skomplikowan¹

naturê fizyczn¹ i dlatego z du¿ym trudem

poddaj¹ siê wszelkim próbom opisów ana-

litycznych. Niestety, wp³yw rozwa¿anych

zjawisk na pracê urz¹dzeñ elektronicznych,

w których zastosowano diody Zenera jest

znaczny i dlatego zjawiska te czêsto nie

mog¹ byæ przez projektantów ignorowane.

Analiza termicznych zachowañ diod Zene-

ra ma szczególnie istotne znaczenie w ob-

wodach, w których projektant usi³uje zasto-

sowaæ tzw. kompensacjê termiczn¹, doko-

nywan¹ przez szeregowe ³¹czenie kilku

przyrz¹dów pó³przewodnikowych o prze-

ciwstawnych kierunkach zmian napiêæ

w funkcji temperatury (dodatnie i ujemne

wspó³czynniki termiczne). Staranny dobór

takich urz¹dzeñ pó³przewodnikowych po-

zwala czêsto na prawie ca³kowite wyelimi-

nowanie wp³ywu temperatury na zmiany

parametrów projektowanego obwodu elek-

tronicznego.

n

Miros³aw Gajer

Opracowano na podstawie:

TVS/Zener _ Device Data, materia³y katalogowe firmy

Motorola, DL 150/D _ REV1, 1994

Rys. 9. Wykres wskazuj¹cy zmiany napiêcia

Zenera w czasie w sytuacji wydzielania siê

w z³¹czu mocy równej 500 mW

Rys. 5. Powiêkszenie obszaru zagiêcia charaktery-

styki pr¹dowo-napiêciowej diody Zenera, ukazuj¹-

ce skokowe zmiany wartoœci pr¹du podczas

przechodzenia napiêcia polaryzuj¹cego diodê

w kierunku zaporowym do obszaru przebicia

Rys. 6. Wykres zale¿noœci termicznego

wspó³czynnika zmian napiêcia Zenera

od jego nominalnej wartoœci

Rys. 7. Rozrzut indywidualnych charakterystyk

diod Zenera w stosunku do ich charakterystyki

nominalnej

Rys. 8. Wykres wskazuj¹cy jak zmienia siê

wartoœæ napiêcia Zenera w przypadku wzrostu

temperatury z³¹cza od 25 do 125

o

C

Pr¹d

Napiêcie

Napiêcie Zenera

Napiêcie Zenera [V]

Napiêcie Zenera [V]

Napiêcie Zenera [V]

Napiêcie Zenera [V]

Czas [s]

I

ZT

= 7,5 mA

T

A

=25

o

C

Pr¹d Zenera

Wspó³czynnik termiczny [mV/

o

C]

Wspó³czynnik termiczny %/

o

C]

∆

U

Z

(+25

÷

+125

o

C)

Powiêkszony

obszar zagiêcia ch-ki

maks

typ.

min

temperatura z³¹cza wzrasta od 25 do

125

o

C.

Z punktu widzenia projektanta urz¹dzeñ elek-

tronicznych interesuj¹ce s¹ równie¿ zmiany