Teoria e Operação do Diodo Zener
A teoria e a operação por trás do diodo Zener são particularmente interessantes e fornecem informações sobre as características do diodo.
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Nosso Tutorial sobre Diodo Zenner inclui:
Diodo Zener | Teoria de operação do diodo Zener | Especificações da folha de dados do diodo Zener | Circuitos com diodo Zener
Tutorial de Diodo Inclui:
Tipos de diodos | Especificações e classificações de diodos
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O diodo Zener utiliza a mesma estrutura básica de um diodo comum, mas o conceito de operação dos efeitos de quebra reversa normalmente não é desejado ou usado para a operação normal do diodo.
A estrutura do diodo Zener é otimizada para garantir o desempenho necessário – isso acarreta algumas diferenças em relação à estrutura de um diodo comum.
Teoria e operação do diodo Zener
Existem dois efeitos que podem ser usados nos diodos Zener. Um é chamado de colapso de Zener e o outro, impacto ou ionização de avalanche. O efeito Zener predomina abaixo de 5,5 volts, enquanto a ionização por impacto é o principal efeito acima dessa tensão.
Os dois efeitos são totalmente diferentes, embora produzam efeitos quase idênticos.
- Efeito de quebra do Zener: O efeito de quebra do Zener é aquele do qual o diodo ganha seu nome popular. É o efeito de tunelamento do efeito mecânico quântico, mas quando aplicado ao diodo de referência de tensão, ele mantém o nome Zener em homenagem ao homem que o descobriu.
Na maioria das condições, os elétrons estão contidos nos átomos da rede cristalina. Nesse estado, eles estão no que é chamado de banda de valência. Se um grande campo elétrico for colocado através do semicondutor, isso pode ser suficiente para puxar os elétrons para fora do átomo para o que é chamado de banda de condução. Quando estão livres do átomo são capazes de conduzir eletricidade, e isso dá origem ao nome de banda de condução. Para que eles passem da banda de valência para a banda de condução, deve haver uma certa força para libertá-los. Verificou-se que, uma vez que um certo nível de campo elétrico está presente, um grande número de elétrons é puxado para fora, permitindo que a corrente comece a fluir repentinamente quando uma certa tensão reversa é atingida. O efeito Zener foi proposto pela primeira vez pelo Dr. Clarence Zener em 1934, de quem ganhou seu nome. - Ionização por impacto: A ionização por impacto é muito diferente da quebra de Zener e ocorre quando um alto campo elétrico está presente em um semicondutor. Os elétrons são fortemente atraídos e se movem em direção ao potencial positivo. Em vista do alto campo elétrico, sua velocidade aumenta e, muitas vezes, esses elétrons de alta energia colidem com a rede semicondutora.
Quando isso ocorre, um par buraco-elétron é criado. Este elétron recém-criado se move em direção à tensão positiva e é acelerado sob o alto campo elétrico, podendo colidir com a rede. O buraco, sendo carregado positivamente, move-se na direção oposta ao elétron. Se o campo for suficientemente forte, ocorrerá um número suficiente de colisões para que ocorra um efeito conhecido como colapso de avalanche. Isso acontece apenas quando um determinado campo é excedido, ou seja, quando uma determinada tensão reversa é excedida para aquele diodo, fazendo com que ele conduza no sentido inverso para uma determinada tensão, exatamente o que é necessário para um diodo de referência de tensão.
Os dois efeitos de quebra reversa no diodo têm características muito semelhantes, mas não são os mesmos. Na maioria dos casos é possível ignorar a diferença entre os dois efeitos e usar um diodo da mesma maneira.
Operação de diodo
Os efeitos de condução reversa, em comum com muitos outros aspectos da tecnologia de semicondutores, estão sujeitos a variações de temperatura. Verificou-se que a ionização por impacto e os efeitos Zener têm coeficiente de temperatura em direções opostas. O efeito Zener que predomina abaixo de 5,5 volts exibe um coeficiente de temperatura negativo. No entanto, o efeito avalanche, que é o principal efeito acima de 5,5 volts, tem um coeficiente de temperatura positivo.
Como resultado, os diodos Zener ou diodos de referência de tensão com tensões reversas de cerca de 5,5 volts, onde os dois efeitos ocorrem quase igualmente, têm o coeficiente de temperatura geral mais estável, pois tendem a se equilibrar para obter o desempenho ideal.
A tensão reversa real é repetível para um determinado diodo e depende da geometria interna e das características do diodo.
Diferença entre a operação do stand e do diodo Zener
Os diodos de referência de tensão Zener são capazes de operar em condição de quebra reversa dentro de suas especificações de forma muito confiável. Se um diodo de junção PN convencional entrar em colapso reverso, é mais provável que seja danificado de forma irreparável.
Quando uma tensão reversa é aplicada a um diodo de junção PN convencional e a tensão é aumentada, ele acabará por quebrar e estará sujeito a alta corrente devido à quebra de avalanche. Se esta corrente não for limitada pelo circuito circundante, é muito provável que o diodo seja destruído devido ao superaquecimento.
Um diodo Zener exibe quase as mesmas propriedades, exceto que o dispositivo é especialmente projetado para ter uma tensão de ruptura reduzida. Além disso, a topologia do diodo Zener ou do diodo de referência de tensão é projetada de forma que o diodo exiba uma quebra controlada e permita que a corrente mantenha a tensão no diodo Zener próxima à tensão de ruptura.
Os diodos Zener são amplamente utilizados para uma série de aplicações diferentes, onde é necessária uma tensão estável. Embora existam dois efeitos que exibem a tensão de ruptura reversa estável, os diodos são universalmente referidos como diodos Zener.
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