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Titolo: diodi zener

Sarŕ per la parola breakdown che compare nella sua descrizione ma i
diodi zener mi diedero inizialmente l'impressione di essere oggetti di
uso poco comune da usare a perdere, ma poi, nel tempo, leggendo un
poco piů attentamente la descrizione del loro funzionamento mi č
sembrato di capire che il meccanismo  su cui si basano non comporta
necessariamente un riscaldamento né un deterioramento del dispositivo,
al punto che possono essere usati come elementi che fissano una
tensione di riferimento in un dispositivo elettronico, quello che mi
sembra di cogliere č che la conduzione inversa č resa possibile, senza
che si abbia danneggiamento, dal fatto che sopra una certa tensione di
soglia si verifica effetto tunnel? Ma questa č anche associata ad un
effetto a valanga (che viene sempre chiamato in causa quando si parla
di Zener. Ma forse a sproposito come esempio di ciň che non succede?)
Insomma una buona descrizione dei meccanismi fisici di base del
funzionamento di un diodo Zener?

On 3/29/2011 7:24, Tetis wrote:
Il funzionamento degli zener comporta riscaldamento a causa della 
potenza dissipata, ma se questa potenza e` limitata dal circuito entro i 
limiti sopportabili dal dispositivo, lo zener non si danneggia.
Quello che va sotto il nome di diodo zener in realta` puo` essere uno di 
due dispositivi diversi, il diodo zener vero e proprio oppure il diodo a 
valanga. Sono due fenomeni diversi, con caratteristiche diverse.
Nel caso di effetto zener, che si verifica in giunzioni fortemente 
drogate, la larghezza della barriera dipende dalla temperatura, quando 
questa aumenta la barriera si abbassa e la tensione di zener diminuisce.
Il tunnelling si verifica per giunzioni fortemente drogate, ed e` il 
meccanismo prevalente per componenti con tensione di zener al di sotto 
di 5V circa.
Per drogaggi piu` bassi, la barriera si allarga e non si ha piu` effetto 
tunnel.
In questi dispositivi si ha invece la moltiplicazione a valanga, in cui 
un portatore libero nella zona svuotata, sotto effetto del campo, 
accelera e se riesce ad acquisire una energia sufficiente nel suo 
cammino libero medio, quando interagisce con un atomo di silicio lo 
ionizza, generando una coppia.
Se a temperatura aumenta i portatori hanno maggiori probabilita` di 
interagire con i fononi ottici, e non riescono a raggiugere l'energia 
necessaria alla ionizzazione. Nei diodi che lavorano a valanga il 
coefficiente di temperatura e` positivo: quando aumenta la temperatura 
serve piu` tensione e quindi campo perche' i portatori arrivino arrivare 
all'energia di ionizzazione.
Ci sono ancora altri due fenomeni che possono in casi particolari essere 
coinvolti nella conduzione inversa, e sono l'effetto termoelettrico e 
l'instabilita` in temperatura, ma questi si verificano solo in casi 
particoari (giunzioni metallo/semiconduttore e materiali con banda 
proibita molto piccola, tipo germanio).
Gli zener comunque non sono un granche' come riferimenti di tensione 
(con qualche eccezione) a causa di tolleranza, deriva e rumore. Sono 
usati come limitatori di tensione o quando la precisione non e` importante.
Tutte le giunzioni in polarizzazione inversa vanno in valanga/zener. Se 
l'energia e la potenza sono limitate non si rompono, mentre anche uno 
zener in cui si superino i limiti di dissipazione si guasta andando in 
cortocircuito (e in alcuni casi e` previsto che faccia proprio quello).
C'e` un caso in cui una giunzione in valanga (con potenza limitata) 
rovina comunque le caratteristiche elettriche della giunzione, pur senza 
romperla. Se si manda in valanga la giunzione base emettitore di un 
transistore bipolare, il guadagno di corrente del transistore diminuisce 
e il suo rumore aumenta.
Una buona descrizione della valaga (e un po' meno del tunnelling negli 
zener) la trovi su Sze-Ng, Physics of Semiconductor Devices.
-- 
Franco
Wovon man nicht sprechen kann, darüber muß man schweigen.
(L. Wittgenstein)

 importante.
Pero' a quanto ricordo (ma parlo di 30 anni fa o piu') i regolatori di
tensione, anche quelli definiti "di precisione" avevano alla base uno
zener.
Come stanno le cose oggi?
 
-- 
Elio Fabri
Perche' tu devi pur sapere, aggiunse, mio ottimo Critone, che parlare
scorrettamente non solo e' cosa brutta per se medesima, ma anche fa
male all'anima.

 Come stanno le cose oggi?
Gli zener, se fatti bene con la tecnologia necessaria, sono dei buoni 
riferimenti di tensione, stabili ma poco precisi. Non sono usati negli 
integrati di regolazione per tre ragioni principali, una e` che sono 
stabili a tensioni troppo alte rispetto a quanto serve per gli 
integrati. Per stabilizzare l'uscita a 5V non e` conveniente partire da 
tensioni piu` alte come riferimento. Il secondo motivo e` che per avere 
uno zener buono e` necessaria una tecnologia che non e` disponibile per 
la costruzione dei normali circuiti integrati. Aggiungere passi di 
integrazione per ottenere i drogaggi necessari costerebbe troppo. Infine 
lo zener e` intrinsecamente non preciso. Anche il piu` stabile 
(.05ppm/K) comunque ha una incertezza della tensione iniziale da 7V a 
7.5V! (i dati sono dell'LTZ1000, 
http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1000afc.pdf
)
Attualmente si usano come generatori di tensione di riferimento, stabile 
e precisa, i circuiti di tipo band-gap. Si ha una parte di circuito che 
eroga una tensione proporzionale alla temperatura assoluta, sfruttando 
il termine kT/q che compare in tutta l'elettronica allo stato solido. Si 
fa in modo che la tensione generata abbia un coefficiente di temperatura 
di circa +2.2mV/K, si mette in serie a questa tensione la VBE di un 
transistore bipolare che ha coefficiente di temperatura di circa 
-2.2mV/K e si ha una tensione stabile.
Il valore di questa tensione risulta essere pari al band gap del silicio 
estrapolato a 0K, circa 1.28V.
Questi riferimenti sono compatibili con la normale tecnologica degli 
integrati bipolari, sono stabili e generano una tensione bassa che va 
giusto bene con il resto del circuito.
Trent'anni fa erano gia` in uso (ad esempio nel 7812): tutti quelli che 
hanno studiato sul Millman hanno imparato che nello schema del 7812 il 
riferimento e` lo zener a sinistra. Quello in realta` e` solo il 
circuito per far partire l'integrato, il riferimento e` altrove.
Qui 
http://www.national.com/rap/Application/0,1570,24,00.html
 la storia 
del band-gap, che compie quest'anno 40 anni di utilizzo.


Elio Fabri
Basta che fai una ricerca con google :-)
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Tutti a Brescia, a Brescia, a Brescia senza fine!

 rumore aumenta.
Il meccanismo di danneggiamento è la diffusione ionica dovuta alla 
temperatura e/o la diffusione è incrementata dalla rottura dei legami?


Nel suo scritto precedente, Franco ha sostenuto :
On 3/29/2011 7:24, Tetis wrote:
Anzitutto grazie per la paziente ed esaustiva risposta. Rimangono delle 
perplessità residue che derivano dal confronto con le scarne 
spiegazione della mia fonte originale sugli Zener che è il libro di 
Millman.
Millman parla di Zener nel contesto dei diodi a valanga o breakdown. 
Spiega che il meccanismo della valanga prevede una collisione degli 
elettroni con i nuclei atomici, mentre il meccanismo Zener prevede che 
gli elettroni vengano messi in conduzione dal campo elettrico senza che 
si abbiano tuttavia collisioni con il nucleo. Introduce la nozione di 
sensitività alla temperatura: positiva nel diodo a valanga negativa nel 
diodo Zener ma non spiega il perché. Parla anche di resistenza dinamica 
e fornisce dei criteri sulla stabilità, ma non accenna alla precisione 
del potenziale di riferimento.
Il funzionamento degli zener comporta riscaldamento a causa della 
potenza dissipata, ma se questa potenza e` limitata dal circuito entro 
i limiti sopportabili dal dispositivo, lo zener non si danneggia.
mi sembra di capire che l'eventuale danneggiamento sia essenzialmente 
dovuto alla temperatura cioè al meccanismo di diffusione ionica, ma non 
sono sicurissimo, perché non mi è del tutto chiaro se la rottura dei 
legami covalenti di cui parla Millman è un processo del tutto 
reversibile come immagino che sia la promozione di un elettrone in 
banda insatura, oppure può comportare una modifica strutturale 
irreversibile degli orbitali.
Quello che va sotto il nome di diodo zener in realta` puo` essere uno 
di due dispositivi diversi, il diodo zener vero e proprio oppure il 
diodo a valanga. Sono due fenomeni diversi, con caratteristiche 
diverse.
Esatto Millman dice che il nome Zener è stato usato per estensione 
anche con riferimeno a diodi dominati dall'effetto valanga.
Nel caso di effetto zener, che si verifica in giunzioni fortemente 
drogate, la larghezza della barriera dipende dalla temperatura, quando 
questa aumenta la barriera si abbassa e la tensione di zener 
diminuisce.
Il maggiore drogaggio comporta un minore potenziale di estrazione 
(volendo si può considerare un modello aperiodico di Kroenig Penney per 
i cosiddetti stati di gap in termini intuitivi la maggiore densità di 
siti droganti con eccesso di elettroni/lacune comporta una maggiore 
probabilità di tunneling fra due di questi siti anche da parte degli 
elettroni/lacune residuali che cioè non hanno già raggiunto la barriera 
di drift, quando si accende un campo la presenza di tunneling verso 
siti vicini si può risolvere nell'accesso dell'elettrone residuo agli 
stati continui ed infine in un superamento della barriera di drift). Mi 
sembra di capire che quello che qui chiamiamo tunneling coincide 
essenzialmente con quella che Millman chiama "rottura di un legame 
covalente" ma ti chiedo conferma perché non sono sicurissimo.
Il tunnelling si verifica per giunzioni fortemente drogate, ed e` il 
meccanismo prevalente per componenti con tensione di zener al di sotto 
di 5V circa.
Per drogaggi piu` bassi, la barriera si allarga e non si ha piu` 
effetto tunnel.
Qui in seguito ti sei corretto dicendo che intendevi che la barriera si 
alza, ma in effetti non è forse sbagliato dire che la barriera fra i 
siti si è allargata comportando una diminuzione della probabilità di 
tunneling inter-sito ed un aumento del potenziale di soglia per il 
tunneling, ovvero per la rottura di legami covalenti. La novità è però 
che adesso gli elettroni acquistano maggiore energia e possono 
avvicinarsi maggiormente agli ioni causando appunto la creazione di 
coppie.
In questi dispositivi si ha invece la moltiplicazione a valanga, in cui 
un portatore libero nella zona svuotata, sotto effetto del campo, 
accelera e se riesce ad acquisire una energia sufficiente nel suo 
cammino libero medio, quando interagisce con un atomo di silicio lo 
ionizza, generando una coppia.
Se a temperatura aumenta i portatori hanno maggiori probabilita` di 
interagire con i fononi ottici, e non riescono a raggiugere l'energia 
necessaria alla ionizzazione. Nei diodi che lavorano a valanga il 
coefficiente di temperatura e` positivo: quando aumenta la temperatura 
serve piu` tensione e quindi campo perche' i portatori arrivino 
arrivare all'energia di ionizzazione.
Infatti con l'aumento della temperatura aumenta la popolazione dei 
fononi ottici, ovvero, in termini intuitivi aumenta l'esposizione degli 
ioni allo scattering infatti i fononi ottici sono associati con la 
formazione di dipoli elettrici localizzati, che dà conto delle parole 
di Millman. Aumentando però la sezione d'urto diminuisce il cammino 
libero medio degli elettroni e quindi la probabilità di estrazione per 
trasferimento di impulso intrabanda mediato dai fononi ottici, cosa che 
Millman non sta a spiegare.
Ci sono ancora altri due fenomeni che possono in casi particolari 
essere coinvolti nella conduzione inversa, e sono l'effetto 
termoelettrico e l'instabilita` in temperatura, ma questi si verificano 
solo in casi particoari (giunzioni metallo/semiconduttore e materiali 
con banda proibita molto piccola, tipo germanio).
Cioè mi pare di intendere che a causa degli effetti locali di 
riscaldamento può risultare una corrente diffusionale associata al 
gradiente di temperatura, se questa corrente si ha in corrispondenza di 
una giunzione l'effetto è una variazione netta apprezzabile della 
corrente totale.
Gli zener comunque non sono un granche' come riferimenti di tensione 
(con qualche eccezione) a causa di tolleranza, deriva e rumore. Sono 
usati come limitatori di tensione o quando la precisione non e` 
importante.
di questo Millman non dice nulla di preciso però in effetti descrive 
l'uso di amplificatori integrati per lo scopo di ottenere erogatori di 
tensione regolati. Diceva pure che questi erano ormai convenienti da 
produrre.
Tutte le giunzioni in polarizzazione inversa vanno in valanga/zener. Se 
l'energia e la potenza sono limitate non si rompono, mentre anche uno 
zener in cui si superino i limiti di dissipazione si guasta andando in 
cortocircuito (e in alcuni casi e` previsto che faccia proprio quello).
C'e` un caso in cui una giunzione in valanga (con potenza limitata) 
rovina comunque le caratteristiche elettriche della giunzione, pur 
senza romperla. Se si manda in valanga la giunzione base emettitore di 
un transistore bipolare, il guadagno di corrente del transistore 
diminuisce e il suo rumore aumenta.
Il meccanismo di danneggiamento è la diffusione ionica dovuta alla 
temperatura e/o la diffusione è incrementata dalla rottura dei legami?


 temperatura e/o la diffusione è incrementata dalla rottura dei legami?
Non lo so. Oltre alla diffusione ionica credo si formino dei difetti 
localizzati nel cristallo, difetti che danno origine a livelli permessi 
piazzati piu` o meno a meta` della banda proibita. Questi livelli 
profondi aumentano il rumore del dispositivo con il meccanismo di 
cattura e rilascio di portatori interbanda, e riducono il guadagno del 
transistore.

 locale focalizza la corrente e il sistema diverge in fuga termica.
I danni da impatto da elettroni caldi quanto influiscono?

 I danni da impatto da elettroni caldi quanto influiscono?
Non lo so, devo chiedere a qualche esperto. Se ci sono, ho l'impressione 
che provochino un deterioramento non una rottura catastrofica. Cerco un 
dispositivista e gli chiedo.

 rottura catastrofica. Cerco un dispositivista e gli chiedo.
date una letta a questo mio post del 2005, il meccanismo
dello shift della tensione di riferimento a causa dei
portatori caldi (zener walkout) e' descritto verso la fine.
https://groups.google.com/group/it.scienza.fisica/msg/cba2c0b201ca312a?hl=it
Mi pare (ma non sono sicuro) che alcune informazioni
(forse proprio quelle relative allo "zener walkout") le
ricavai da Hastings, "The Art of Analog Layout".
maitre Aliboron