דיודת זנר

דיודת זנר היא דיודה שמיועדת לפעול תחת ממתח אחורי, שהזרם בה הוא אפסי עד למתח הפריצה של הדיודה, ועולה באופן חד מעליו. ההתקן נקרא על שמו של הפיזיקאי האמריקאי קלרנס זנר אשר תיאר לראשונה את האפקט בשנת 1934 במסגרת מחקרו התאורטי בעיקרו על תכונות הפריצה של מבודדי חשמל. עבודה זו שימשה בהמשך את מעבדות בל לפיתוח של התקן חשמלי המיישם את האפקט, דיודת זנר. בדומה לשסתום על גבי דוד קיטור: כמו כל דיודה, גם דיודת זנר מעבירה זרם בכיוון אחד, וחוסמת אותו בכיוון ההפוך, אך ייחודה של דיודת זנר בכך שהיא מעבירה גם זרם בכיוון ההפוך אם המתח גבוה מרף מסוים, הקרוי מתח הפריצה. דיודת זנר משמשת לעיתים קרובות לשמירה על מתח מבוקר במעגלים אלקטרוניים. דיודה רגילה שמחוברת בממתח אחורי לא תאפשר הולכת זרם חשמלי למעט זרם הזליגה (עד מתח הפריצה). חריגה ממתח הפריצה גורמת לדיודה רגילה להיהרס בגלל חום וזרם גדול מדי. כאשר הדיודה נתונה בממתח קדמי נופל על הדיודה מתח של כ- 0.7 וולט, כמעט ללא תלות בזרם שזורם בדיודה. המתח שנופל על הדיודה תלוי בסוג הדיודה - בעיקר בחומרים מהם הדיודה עשויה. לדיודת זנר כמעט אותן תכונות כמו לדיודה רגילה, רק שבניגוד לדיודה רגילה לדיודת זנר יש מתח פריצה נמוך שנקרא מתח זנר (Zener Voltage). דיודת זנר מכילה צומת p-n מזוהם מאוד שמאפשר לאלקטרונים לעבור מפס הערכיות של החומר מסוג p לפס ההולכה של החומר מסוג n. בדיודת זנר שעוברת את מתח זנר כשהיא מחוברת בממתח אחורי, מתרחש תהליך מבוקר של פריצה והדיודה מאפשרת הולכת זרם ושומרת על מפל מתח קבוע במתח זנר - כמו בממתח קדמי. למשל, בדיודה שמתח זנר שלה שווה ל-3.2 וולט יתרחש תהליך של פריצה כשהיא מחוברת בממתח אחורי במתח של 3.2 וולט. כמעט ללא תלות בזרם שזורם בדיודה. לכן, דיודת זנר משמשת בדרך כלל לייצר מתח ייחוס לשלב בתהליך הגברה, או לייצוב הזרם ביישומים של זרם נמוך. יתרונות דיודת זנר: ניתן לשלוט במתח הפריצה בצורה די מדויקת (ניתן להגיע לסטייה של 0.07%), וכן בזרם העובר דרך הדיודה במתח זה. הדיודה יכולה לתפקד היטב גם במצב פריצה, ולחזור חזרה לתפקוד רגיל בממתח קדמי לאחר מכן, כך שתהליך הפריצה אינו חד פעמי - בניגוד לדיודות רגילות. על מנת לבנות דיודת זנר, משתמשים בצומת PN שמזוהם (doped) באופן מאסיבי בשני הצדדים. מה שקורה כתוצאה מכך, הוא שאזור הדלדול (depletion region) שנוצר בצומת הוא מראש קטן מאוד (כיוון שבכל מקטע קטן של המל"מ קיים מספר גדול של סיגים מיוננים, וממילא השדה החשמלי שנדרש כדי לאזן את זרם הפעפוע נוצר גם בתוך אזור דלדול קטן מאוד). במצב כזה, ניתן להשיג שדות גבוהים ביותר עבור ממתח אחורי קטן יחסית (כזכור, ממתח אחורי מגדיל את מחסום הפוטנציאל בצומת, ואיתו גדל גם שדה הסחיפה). שדה הסחיפה החזק מסוגל לסחוף את האלקטרונים מצד ה-P לצד ה-N, אולם לא רק את האלקטרונים החופשיים שנמצאים בפס ההולכה בצד P (נושאי המיעוט). ייחודה של דיודת זנר הוא במעבר של אלקטרונים מפס הערכיות בצד ה-P, לפס ההולכה בצד ה-N. מאחר שאלקטרונים כאלה מצויים בשפע, הרבה יותר מנושאי המיעוט, יכול להיווצר במתח הפריצה זרם יציב שניתן לשלוט עליו. ברמה האטומית, אם נתבונן בדיאגרמת פסי האנרגיה של המל"מ - השדה בדיודת זנר (החל ממתח הפריצה) חזק מספיק כדי: א. למשוך אלקטרונים מצד ה-P אל צד ה-N דרך אזור המיחסור, ב. לתת להם אנרגיה שתעביר אותם לפס ההולכה. מאחר שבין פסי האנרגיה קיים מחסום פוטנציאל, ניתן לחשוב על התופעה כמינהור (tunneling) המוכר בתורת הקוונטים - מעבר חלקיק דרך מחסום פוטנציאל, המתאפשר הודות לאופי הגלי של החלקיק. גם כאן בדיודת זנר עוברים האלקטרונים מחסום פוטנציאל, שההימצאות בתוכו (באחת רמות האנרגיה האסורות) אינו אפשרי פיזיקלית. לכן, הזרם בדיודת זנר במתח פריצה נקרא גם "זרם מינהור". תהליך אחר שמשיג תוצאה דומה הוא אפקט המפולת בדיודת מפולת. למעשה שתי הדיודות בנויות באופן דומה, ושני האפקטים (אפקט זנר ואפקט המפולת) מופיעים בשתי הדיודות. בדיודות צורן (סיליקון) עד 5.6 וולט, אפקט זנר הוא הבולט ומקדם הטמפרטורה הוא שלילי. מעל 5.6 וולט אפקט המפולת הוא הבולט ומקדם הטמפרטורה חיובי. בקצרה - אפקט המפולת קשור ביוניזציה, כלומר האצה של נושאי מטען שמתפצלים שוב ושוב וכך יוצרים אפקט של זרם מתגבר החל מגודל שדה מסוים. כפי שניתן לשער אפקט זה פחות תלוי בזיהום הצומת, כך שבדיודות מזוהמות יותר - נקבל אפקט זנר דומיננטי, ובדיודות מזוהמות פחות אפקט המפולת יהיה דומיננטי. בדיודה של 5.6 וולט שני האפקטים קורים בו זמנית ומקדמי הטמפרטורה מבטלים זה את זה. לכן, דיודה של 5.6 וולט היא הבחירה המועדפת במערכות שבהן הטמפרטורה היא קריטית. בשיטות ייצור מודרניות ניתן לייצר דיודה בעלת מתח זנר נמוך מ-5.6 וולט עם מקדמי טמפרטורה זניחים. אולם במתחים גבוהים מקדמי ההתנגדות גדלים בצורה דרמטית. לדיודה בעלת מתח זנר של 75 וולט יש מקדם טמפרטורה גדול פי 10 מאשר לדיודת בעלת מתח זנר של 12 וולט. בפועל, כל הדיודות האלה משווקות תחת השם "דיודת זנר". דיודת זנר משמשת במעגלים חשמליים רבים. השימוש העיקרי שלה הוא לווסת את המתח על ענף של המעגל ולשמור את המתח עליו קטן יותר ממתח זנר. דיודת זנר שמחוברת במקביל לענף לא תיתן למתח עליו לעבור את מתח זנר מפני שהיא מקצרת את המעגל אחרי שמתרחשת פריצה. מדיה וקבצים בנושא דיודת זנר בוויקישיתוף Wolfgang Saxon, Clarence M. Zener, 87, Physicist And Professor at Carnegie Mellon, The New York Times, ‏6 ביולי 1993 What is a Zener Diode? | TTI, Inc., www.tti.com (באנגלית)