مقدمه :

دیود زنر (Zener Diode) یک نوع خاص از دیودهای نیمه‌هادی است که به دلیل توانایی کار در حالت بایاس معکوس و حفظ ولتاژ ثابت در سطح مشخصی، به نام ولتاژ Vz، در صنعت الکترونیک بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

دیود زنر به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، مانند تثبیت ولتاژ و محافظت از مدارها در برابر نوسانات، به یکی از اجزای ضروری در طراحی‌های الکترونیکی تبدیل شده است. این مقاله به بررسی و اهمیت این دیود در صنعت الکترونیک می‌پردازد.

نماد شماتیک و ظاهر فیزیکی دیود زنر :

مانند هر قطعه الکترونیکی، دیود زنر نیز دارای نماد شماتیک خاص خود است که آن را از سایر دیودها متمایز می‌کند.

• نماد شماتیک: نماد دیود زنر شبیه به نماد دیود معمولی است، با این تفاوت که خط کاتد به شکل حرف "Z" یا یک خط شکسته کوچک طراحی شده است. این "Z" نشان‌دهنده ویژگی خاص ولتاژ آن است.
• ظاهر فیزیکی: دیودهای زنر معمولاً در بسته‌بندی‌های شیشه‌ای یا پلاستیکی مشکی کوچکی با یک نوار رنگی در یک انتها (نشان‌دهنده کاتد) تولید می‌شوند.

ساختار داخلی دیود زنر:

دیود زنر از یک پیوند P-N با دوپینگ سنگین تشکیل شده است که منطقه تخلیه نازکی (کمتر از 1 میکرومتر) ایجاد می‌کند. این ساختار امکان ایجاد میدان الکتریکی قوی (حدود 500 کیلوولت بر متر) را در ولتاژهای معکوس پایین (حدود 5 ولت) فراهم می‌کند، که منجر به پدیده تونل‌زنی الکترون‌ها می‌شود.

برای ولتاژهای زنر بالاتر از 5.6 ولت، شکست آوالانچ غالب است که در پیوندهای با دوپینگ کمتر رخ می‌دهد. این دیودهای سطحی از پیوند امیتر-بیس ترانزیستورهای NPN استفاده می‌کنند، با ولتاژ شکست حدود 6.8 ولت در فرایندهای بایپولار و 10 ولت در فرایندهای BiCMOS .

دیودهای زنر زیرسطحی در ناحیه آوالانچ را در عمق چند میکرومتری زیر لایه اکسید قرار می‌دهند، که پایداری ولتاژ را افزایش داده و ولتاژ شکست را بین 5 تا 7 ولت نگه می‌دارد. این ساختار معمولاً از سیلیکون ساخته شده و برای تحمل جریان بالا و پایداری حرارتی طراحی شده است.

پدیده شکست و ولتاژ زنر (VZ​):

راز عملکرد دیود زنر در نحوه رفتار آن در بایاس معکوس نهفته است:

1. بایاس مستقیم: هنگامی که ولتاژ مثبت به آند و ولتاژ منفی به کاتد اعمال می‌شود (بایاس مستقیم)، دیود زنر مانند یک دیود معمولی عمل می‌کند. یعنی پس از رسیدن ولتاژ به آستانه هدایت (حدود 0.7 ولت برای سیلیسیوم)، جریان زیادی از آن عبور می‌کند.
2. بایاس معکوس: این دیود در این ناحیه متفاوت می‌شود. در ابتدا، با افزایش ولتاژ معکوس (مثبت به کاتد، منفی به آند)، جریان بسیار ناچیزی (جریان نشتی) از دیود عبور می‌کند. اما با افزایش بیشتر ولتاژ معکوس، در یک نقطه مشخص، مکانیزم‌های شکست زنر (Zener Breakdown) یا شکست بهمنی (Avalanche Breakdown) فعال می‌شوند. در این نقطه دیود ناگهان شروع به هدایت جریان قابل توجهی می کند .
3. ولتاژ (VZ​) : این ولتاژ دقیقاً در همین نقطه شکست، همان "ولتاژ زنر" نامیده می‌شود. نکته فوق‌العاده این است که پس از رسیدن به این ولتاژ، با وجود اینکه جریان عبوری از دیود به شدت افزایش می‌یابد، ولتاژ دو سر دیود تقریباً ثابت باقی می‌ماند. این پایداری ولتاژ، سنگ بنای کاربردهای این دیود است.

تفاوت شکست زنر و شکست بهمنی:

شکست زنر: در دیودهایی با ولتاژ Vz پایین (کمتر از 5 ولت) غالب است. در این حالت، میدان الکتریکی قوی در ناحیه تهی، الکترون‌ها را مستقیماً از پیوندهای کووالانسی جدا می‌کند.

شکست بهمنی: در دیودهایی با ولتاژ زنر بالاتر (بیشتر از 5 ولت) غالب است. در این فرآیند، حامل‌های بار (الکترون‌ها) در ناحیه تهی به سرعت شتاب گرفته، با اتم‌ها برخورد می‌کنند و الکترون‌های جدیدی را آزاد می‌کنند که خود نیز شتاب گرفته و برخوردهای بیشتری ایجاد می‌کنند؛ این فرآیند بهمنی‌شکل منجر به افزایش ناگهانی جریان می‌شود.

کاربردهای دیود زنر در صنعت الکترونیک:

مهمترین کاربردهای دیود زنر در صنعت الکترونیک عبارتند از:

1. تنظیم کننده ولتاژ: (Voltage Regulator) این رایج‌ترین و مهمترین کاربرد دیود زنر است. با قرار دادن این نوع دیود به صورت موازی با یک بار (مصرف کننده)، می‌توان ولتاژ ثابتی را در دو سر بار حفظ کرد، حتی اگر ولتاژ ورودی یا جریان بار تغییر کند. این دیود با حفظ ولتاژ دو سر خود در ولتاژ( (VZ ، ولتاژ خروجی را پایدار نگه می‌دارد. این کاربرد در منابع تغذیه، مدارهای مرجع ولتاژ، و برای تامین ولتاژهای پایدار برای مدارهای حساس بسیار حائز اهمیت است.
2. مرجع ولتاژ (Voltage Reference): به دلیل پایداری ولتاژ زنر در ناحیه شکست، از این دیود به عنوان یک مرجع ولتاژ دقیق در مدارهای مختلف استفاده می‌شود. این مرجع ولتاژ برای مقایسه ولتاژها، اندازه‌گیری‌های دقیق، و مدارهای کنترلی ضروری است.
3. مدارهای برشگر یا کلیپر (Clipper Circuits) :دیودهای زنر می‌توانند برای محدود کردن ولتاژ سیگنال‌ها به یک سطح مشخص استفاده شوند. این کار برای محافظت از قطعات حساس در برابر ولتاژهای بالا یا برای شکل‌دهی به شکل موج سیگنال (مثلاً حذف پیک‌های ناخواسته) مفید است. به عنوان مثال، با قرار دادن دو دیود خاص پشت به پشت، می‌توان قله‌های مثبت و منفی یک موج متناوب را محدود کرد.
4. مدارهای شیفت‌دهنده سطح ولتاژ: (Voltage Shifter) در برخی موارد، نیاز است که سطح ولتاژ یک سیگنال تغییر کند تا با یک قطعه الکترونیکی دیگر سازگار شود. دیود زنر می‌تواند با ایجاد یک افت ولتاژ ثابت، به این منظور استفاده شود.
5. مدارهای حفاظتی: (Overvoltage Protection) دیودهای زنر می‌توانند برای محافظت از مدارهای حساس در برابر ولتاژهای اضافی یا گذرا (مانند نویزهای سوئیچینگ یا تخلیه الکترواستاتیک ESD- استفاده شوند. هنگامی که ولتاژ از حد مجاز فراتر رود، این دیود وارد ناحیه شکست شده و ولتاژ را به یک سطح ایمن محدود می‌کند و جریان اضافی را به زمین منحرف می‌کند، و از آسیب دیدن قطعات محافظت می‌کند.
6. تولید نویز (Noise Generator) :در برخی کاربردهای خاص (معمولاً در فرکانس‌های بالا)، نویز تولید شده توسط دیود زنر در ناحیه شکست می‌تواند برای تولید سیگنال‌های نویز تصادفی استفاده شود.

به طور خلاصه، دیود زنر به دلیل قابلیت منحصر به فرد خود در حفظ ولتاژ ثابت در ناحیه شکست معکوس، یک قطعه اساسی در طراحی و ساخت مدارهای الکترونیکی پایدار و محافظت شده است .

مزایای دیود زنر نسبت به سایر دیودها :

دیود زنر به دلیل ویژگی‌های زیر نسبت به سایر دیودها برتری دارد:

1. سادگی طراحی مدار: استفاده از دیود زنر نیاز به مدارهای پیچیده برای تثبیت ولتاژ را کاهش می‌دهد، زیرا تنها با یک مقاومت سری می‌تواند ولتاژ را تنظیم کند.
2. هزینه کم: دیودهای زنر به‌طور گسترده در دسترس و مقرون‌به‌صرفه هستند.
3. اندازه کوچک: ابعاد کوچک آن‌ها برای طراحی‌های فشرده و مدرن مناسب است.
4. قابلیت اطمینان بالا: مقاومت در برابر نوسانات ولتاژ و شرایط محیطی سخت.
5. شکست کنترل‌شده: توانایی حفظ ولتاژ نزدیک به ولتاژ زنر (مثلاً 3.2 ولت) در بازه گسترده‌ای از جریان.
6. مرجع ولتاژ پایدار: ارائه ولتاژ مرجع ثابت برای تقویت‌کننده‌ها و تثبیت‌کننده‌های ولتاژ.
7. جبران دمایی: امکان جبران دمایی با استفاده از دیودهای زنر 5.6 ولت در ترکیب با دیودهای بایاس مستقیم برای دستیابی به ضریب دمایی صفر.
8. پایداری طولانی‌مدت: دیودهای زنر زیرسطحی از پدیده "Zener walkout" (تغییر ولتاژ در طول زمان) جلوگیری می‌کنند.

تفاوت دیود زنر با سایر دیود ها :

در جدول زیر به طور خلاصه تفاوت دیود زنر با دیود معمولی را نشان می دهد:

چرا از دیود زنر به‌عنوان رگولاتور استفاده می‌شود؟

از دیود زنر به‌عنوان رگولاتور ولتاژ استفاده می‌شود؛ زیرا این دیود به ‌موازات بار متصل و یک مقاومت سری قرار می‌گیرد. این مقاومت سری وظیفه محدود کردن جریان و جذب ولتاژ اضافی را بر عهده دارد.

با نوسان ولتاژ ورودی یا تغییر جریان مورد نیاز بار، این نوع دیود با تنظیم جریان عبوری از خود، ولتاژ خروجی را در مقدار ثابت ولتاژ Vz خود حفظ می‌کند. این پایداری ولتاژ، دیود زنر را به گزینه‌ای ساده و اقتصادی برای کاربردهای رگولاتور ولتاژ تبدیل کرده است.

نتیجه‌گیری :

دیود زنر به دلیل توانایی منحصربه‌فرد خود در تثبیت ولتاژ، پایداری حرارتی، و عملکرد قابل اعتماد در شرایط مختلف، یکی از اجزای حیاتی در صنعت الکترونیک است. این دیود با هزینه کم، طراحی ساده، و کاربردهای گسترده، گزینه‌ای ایده‌آل برای مهندسان و طراحان مدار است.

با پیشرفت فناوری، انتظار می‌رود که دیودهای زنر همچنان نقش مهمی در توسعه سیستم‌های الکترونیکی پیشرفته، از منابع تغذیه گرفته تا مدارهای محافظتی و دیجیتال، ایفا کنند.