DIODOS ZENER

DIODOS ZENER

INTRODUCCIÓN

Los diodos zener, también conocidos como diodos reguladores de tensión (Voltaje regulator diodes), son elementos semiconductores de silicio que poseen en sentido directo o de paso una característica de diodo rectificador normal, mientras que en sentido inverso, y para una corriente inversa por encima de un determinado valor, presentan una tensión constante cuyo valor depende de las características técnicas de cada diodo en particular.

Este fenómeno de tensión constante en el sentido de bloqueo convierte a los diodos zener en dispositivos excepcionalmente útiles, cuando se quiere tener una tensión relativamente insensible a las variaciones de la tensión de alimentación o de la corriente de la carga, es decir, como dispositivos reguladores del valor de la tensión.

Los diodos de señales pequeñas y los rectificadores nunca se operan de manera intencional en la región de ruptura ya que se pueden dañar. Un diodo zener se comporta muy diferente; es un diodo de silicio que el fabricante ha perfeccionado para operar en la región de ruptura sin que sufra algún daño. Es decir, mientras los diodos ordinarios no pueden operar en esta región, los diodos zener son fabricados especialmente para operar en esta región. El diodo zener es parte fundamental de los circuitos reguladores de voltaje, circuitos que mantienen la carga casi constante a pesar de los cambios en los voltajes de línea y las cargas.

Dependiendo se las características que se deseen obtener, los diodos zener se fabrican por procesos de aleación o de difusión.

Los diodos con tensiones de ruptura de hasta 9 V presentan mejores características cuando se fabrican por aleación, mientras que los que poseen tensiones de ruptura superiores a los 12 V tienen mejores características si son fabricados por procesos de difusión. Para tensiones de ruptura comprendidas entre 9 y 12 V, el método de fabricación viene determinado por otros factores.

Por aleación, es un método que consiste en calentar en un horno apropiado y una temperatura de unos 650 °C, una pequeña pastilla de cristal de silicio tipo N, a la que se coloca encima una minúscula cantidad de material tipo P. al ser calentado en el horno se produce la aleación entre ambos elementos en una zona de forma circular.

Los diodos zener fabricados por el procedimiento de difusión se obtienen depositando boro para la fabricación del material del tipo P en una de las caras de una lámina delgada de cristal de silicio, y en la otra cara vapor de fósforo para la formación del material tipo N.

El conjunto se introduce en un horno una temperatura superior a 1200 °C. El calor provoca que en el cristal de silicio penetre el fósforo por un lado y el boro por el otro, difundiéndose ambos materiales en el cristal.

Una vez obtenido el diodo, se procede a la colocación de los terminales y a protegerlo del medio ambiente mediante una cápsula.

El fenómeno de ruptura, es decir, el paso de bloqueo a conducción en sentido inverso al sobrepasar un determinado valor de tensión, recibió en un principio el nombre de efecto Zener, por que se pensó que debido al mecanismo descrito por Zener en su teoría sobre los fenómenos de ruptura en dieléctricos (piénsese que un diodo polarizado en sentido inverso es comparable perfectamente a un condensador cuyas placas fuesen los cristales P y N y cuyo dieléctrico fuese la zona de unión de ambos cristales; por lo tanto, si dicha zona de unión o zona prohibida pasa a ser conductora, ello equivale a la perforación de un dieléctrico).

Hoy en día se cree, sin embargo, que esta ruptura se debe a los efectos de campo, cuando se produce para tensiones inferiores a 5 V, y se atribuye a un efecto de avalancha cuando tiene lugar a tensiones por encima de los 7 V. Entre los 5 y 7 V la ruptura es producida por una combinación de ambos efectos.

Así pues, para bajas tensiones es válida la teoría la ruptura de Zener y para altas tensiones se acepta la teoría de avalancha propuesta por Mc Kay y Mc Affee.

Sin embargo, y por los motivos apuntados, todos los diodos Zener se llaman así en honor a este físico, el valor de tensión bajo el cual se produce la ruptura se le conoce también con el nombre de tensión Zener.

Efecto Zener y efecto avalancha

En el apartado anterior se dice que el fenómeno de ruptura de un diodo Zener puede ser debido al efecto Zener o al efecto de avalancha, según la tensión inversa aplicada. A continuación se exponen en pocas líneas la diferencia entre estos dos efectos.

Al aplicar una tensión inversa pequeña a un diodo, circula una corriente cuyo valor es igual al de la corriente de pérdidas superficiales, más la normal de saturación, estando formada esta última por huecos y electrones generados térmicamente.

Si se aumenta la tensión inversa, al principio no aumenta número de portadores y, por lo tanto, no aumenta la corriente.

Sin embargo, cuando se alcanza un cierto valor de tensión inversa se produce una ruptura espontánea de los enlaces covalentes de los átomos próximos a la unión PN. La ruptura de dichos enlaces genera electrón-hueco y se produce así un notable aumento de la corriente. Esta acción es el efecto Zener propiamente dicho.

La tensión a la cual se produce el efecto Zener depende del grado de dopado del silicio y puede ser muy elevada, aunque a menudo se obtiene un aumento de la corriente inversa, debido a un efecto de avalancha, y por debajo del nivel de la tensión inversa que corresponde al efecto Zener citado.

Al aumentar la tensión inversa aumenta la velocidad de los portadores. Esta velocidad puede ser suficiente para provocar la ionización, si los átomos chocan las moléculas del semiconductor con suficiente energía.

Los portadores de carga resultantes de la ionización por colisión toman parte en nuevas colisiones y producen a su vez nuevos portadores.

El rápido aumento del número de portadores y, por consiguiente, de la corriente, es lo que constituye el denominado efecto avalancha.

Sin embargo, sea cual sea el mecanismo que produzca la ruptura (Zener o avalancha), la tensión de ruptura de un diodo Zener se produce a un nivel bien definido y estable, prácticamente constante.

Procurando no sobrepasar la temperatura de unión máxima admisible por el diodo, la ruptura es reversible y no destructiva, es decir, el diodo regresa a su estado de bloqueo al descender la

tensión inversa por debajo del valor de la tensión de ruptura. Esto diferencía a estos diodos de los rectificadores, en los cuales si se alcanza la tensión de Zener el diodo resulta destruido.

Tensión de referencia

El voltaje entre el cátodo y el ánodo del diodo después de la ruptura se denomina tensión

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