Tìm hiểu về diode zener

Diode zener là gì

Diode Zener về cơ bản giống như một diode tiếp giáp PN thông thường nhưng thường hoạt động trong điều kiện phân cực nghịch. Nhưng diode tiếp giáp PN thông thường được kết nối trong điều kiện phân cực ngược không được sử dụng như diode Zener trên thực tế. Diode Zener là một diode tiếp giáp PN được thiết kế đặc biệt, được pha tạp nhiều.

Ký hiệu diode zener

Ký hiệu của diode zener trong hình bên dưới. Diode Zener bao gồm hai cực: cực âm và cực dương.

Trong diode zener, dòng điện chạy từ cả cực dương sang cực âm và từ cực âm sang cực dương.

Ký hiệu của diode zener tương tự như diode tiếp giáp p-n bình thường, nhưng có các cạnh uốn cong trên thanh thẳng đứng.

Nguyên lý làm việc của diode zener

Khi một diode tiếp giáp PN được phân cực ngược, lớp suy giảm trở nên rộng hơn. Nếu điện áp phân cực ngược này trên diode được tăng liên tục, lớp suy giảm ngày càng trở nên rộng hơn. Đồng thời, sẽ có một dòng bão hòa ngược liên tục các hạt mang điện thiểu số.

Sau khi điện áp ngược nhất định qua lớp tiếp giáp, các hạt mang điện thiểu số nhận đủ động năng do điện trường mạnh. Các electron tự do có đủ động năng va chạm với các ion đứng yên của lớp suy giảm và làm bật ra nhiều electron tự do hơn. Các electron tự do mới được tạo ra này cũng nhận đủ động năng do cùng một điện trường, và chúng tạo ra nhiều electron tự do hơn khi va chạm tích lũy. Do hiện tượng giao hoán này, rất nhanh chóng, các điện tử tự do khổng lồ được tạo ra trong lớp suy giảm, và toàn bộ diode sẽ trở nên dẫn điện. Loại đánh thủng này của lớp suy giảm được gọi là sự đánh thủng kiểu thác, nhưng sự đánh thủng này không quá rõ ràng. Có một loại đánh thủng khác trong lớp suy giảm rõ hơn so với đánh thủng kiểu thác, và nó được gọi là đánh thủng Zener. Khi tiếp giáp PN là diode bị pha tạp nhiều, nồng độ của các nguyên tử tạp chất sẽ cao trong tinh thể. Nồng độ nguyên tử tạp chất cao hơn này gây ra nồng độ ion cao hơn trong lớp suy giảm do đó đối với cùng một điện áp phân cực nghịch được đặt vào, chiều rộng của lớp suy giảm trở nên mỏng hơn so với diode pha tạp thông thường.

Do lớp suy giảm này mỏng hơn, khuynh độ điện thế hoặc cường độ điện trường trên lớp suy giảm là khá cao. Nếu tiếp tục tăng điện áp nghịch, sau một hiệu điện thế nhất định, các điện tử từ liên kết cộng hóa trị trong vùng suy giảm đi ra và làm cho vùng suy giảm dẫn điện. Loại đánh thủng này được gọi là đánh thủng Zener. Điện áp khi có đánh thủng này xảy ra được gọi là điện áp Zener. Nếu điện áp nghịch đặt qua diode nhiều hơn điện áp Zener, diode cung cấp đường dẫn cho dòng điện qua nó, do đó sẽ không có khả năng xảy ra đánh thủng kiểu thác trong đó nữa. Về mặt lý thuyết, đánh thủng Zener xảy ra ở mức điện áp thấp hơn sau đó xảy ra đánh thủng kiểu thác trong một diode, đặc biệt được pha tạp cho đánh thủng Zener. Đánh thủng Zener rõ ràng hơn nhiều so với đánh thủng kiểu thác. Điện áp Zener của diode được điều chỉnh trong quá trình sản xuất với sự trợ giúp của việc pha tạp thích hợp theo yêu cầu. Khi diode zener được kết nối qua một nguồn điện áp và điện áp nguồn lớn hơn điện áp Zener, thì điện áp qua một diode Zener vẫn cố định bất kể điện áp nguồn. Mặc dù ở điều kiện đó dòng điện qua diode có thể có giá trị bất kỳ tùy thuộc vào tải kết nối với diode. Đó là lý do tại sao chúng ta sử dụng diode Zener chủ yếu để điều khiển điện áp trong các mạch khác nhau.

Đặc tuyến vôn-ampe của diode zener

Sơ đồ trên cho thấy các đặc tuyến vôn-ampe của diode zener. Khi diode được nối theo phân cực thuận, diode này hoạt động như một diode bình thường nhưng khi điện áp phân cực nghịch lớn hơn điện áp zener, đánh thủng sẽ xảy ra. Trong đặc tuyến vôn-ampe ở trên Vz là điện áp zener. Nó cũng là điện thế ngưỡng vì lúc này dòng điện tăng rất nhanh.

Các ứng dụng của diode zener

Diode Zener được sử dụng để điều chỉnh điện áp, làm phần tử tham chiếu, bộ triệt xung, và trong các ứng dụng chuyển mạch và mạch cắt.

Bộ điều chỉnh điện áp

Điện áp tải bằng điện áp đánh thủng VZ của diode. Điện trở nối tiếp giới hạn dòng điện qua diode và giảm điện áp dư thừa khi diode đang dẫn.

Diode Zener trong bảo vệ quá áp

Nếu điện áp đầu vào tăng đến giá trị cao hơn điện áp đánh thủng Zener, dòng điện chạy qua diode và tạo ra sụt áp trên điện trở; điều này kích hoạt SCR và tạo ra ngắn mạch xuống đất. Ngắn mạch mở cầu chì và ngắt tải khỏi nguồn cấp.

Mạch cắt diode zener

Diode Zener được sử dụng để sửa đổi hoặc định hình các mạch cắt dạng sóng AC. Mạch cắt giới hạn hoặc cắt các phần của một hoặc cả hai nửa chu kỳ của dạng sóng AC để định hình dạng sóng hoặc bảo vệ.