Zenerdiodi

Zenerdiodi eli "zeneri" on diodityyppi, joka toimii päästösuuntaan lähes tavallisen diodin tavoin mutta estosuuntaisen jännitteen ylittäessä diodille ominaisen jännitteen, niin sanotun zenerjännitteen, se päästää virran kulkemaan myös estosuunnassa. Komponentti on nimetty Clarence Zenerin mukaan.

Käyttö 
Koska zenerdiodin zenerjännite voidaan valmistusvaiheessa asettaa melko hyvällä tarkkuudella, zenerdiodeja käytetään jännitereferensseinä erilaisissa säätöpiireissä, kuten regulaattoreissa. Lisäksi niitä käytetään ylijännitesuojina. Jännitereferenssikäytössä estosuuntaisen zenerin läpi syötetään virtaa sarjavastuksen kautta, jolloin zenerin ylitse vaikuttaa sen zenerjännite.

Ominaisuudet 
Zenerdiodi on suunniteltu toimimaan tilanteissa, joissa tavallinen diodi yleensä tuhoutuisi. Suurilla negatiivisilla jännitteillä tavallinen diodi särkyy – sen ominaiskäyrä kääntyy jyrkkään laskuun, jolloin tapahtuu läpilyönti. Tämän saavat aikaan niin sanotut vyörypurkaus- ()  ja zener-ilmiöt. Zenerdiodissa tämä ilmiö ei aiheuta komponentin rikkoutumista vaan purkaus tapahtuu hallitusti, jos virta on rajoitettu.

Zenerjännitettä Uz vastaavaa nimellisvirtaa merkitään yleensä symbolilla In. Nämä molemmat suureet ilmoitetaan diodin teknisissä tiedoissa.

Zener-lämpötilakerroin on
 negatiivinen diodeilla, joilla Uz < 6 V
 minimissään, jos Uz = noin 6 V
 positiivinen diodeilla, joilla Uz > 6 V

Mitoitus 
Toimintapiste mitoitetaan aina käyrän jyrkälle osalle, jotta zenerjännite Uz pysyy vakiona.

Toiminta 

Zenerdiodin tavallisesta diodista poikkeava toiminta estosuunnassa perustuu sen p-n-liitoksen vahvaan seostukseen. Sellaisen tyhjennysalue on hyvin ohut ja siten sähkökenttä on voimakas jo pienillä (esimerkiksi 5 V) bias-jännitteen arvoilla, minkä vuoksi Zener-diodi ei tuhoudu läpilyönnissä, jos läpilyöntivirta rajoitetaan esimerkiksi vastuksella.

Zener-diodissa läpilyöntiin vaikuttaa kaksi erilaista mekanismia: vyörypurkaus ja Zenerin mukaan nimetty Zenerin ilmiö.  Vyörypurkaus on merkitsevämpi yli 6 voltin diodeissa ja Zener-purkaus alle viiden voltin diodeissa. Välialueella molemmat purkausmekanismit vaikuttavat suunnilleen saman verran.

Vyörypurkaus
Vuotovirta muodostuu vähemmistövarauksenkuljettajista – p-tyypin alueella elektroneista – joita sähkökenttä kiihdyttää. Jos bias-jännite ylittää kynnysjännitteen,  varauksenkuljettajat saavat sähkökentältä niin paljon liike-energiaa, että atomeihin törmäillessään ne kykenevät irrottamaan niistä lisää varauksenkuljettajia. Nämä niinikään saavat sähkökentältä riittävästi energiaa generoimaan törmäyksissä yhä uusia varauksenkuljettajia. Näin varauksenkuljettajien lukumäärä – siis virta – kasvaa eksponentiaalisesti, jollei sitä rajoiteta ulkoisesti esimerkiksi sarjavastuksella. Zener-diodissa vyörypurkaus tapahtuu kapealla tyhjennysalueella vaikuttavan voimakkaan sähkökentän vuoksi paljon alemmalla bias-jännitteellä kuin tavallisessa diodissa. Ilmiö muistuttaa maanvyöryä ().

Zenerin ilmiö
Erittäin voimakkaasti seostetussa diodissa dominoi Zenerin ilmiö, jossa voimakkaan seostuksen vuoksi tyhjennysalue on niin ohut, että p-alueen vähemmistövarauksenkuljettajat (elektronit) kykenevät suurin joukoin tunneloitumaan sen läpi n-tyypin johtavuusvyölle jo ennen kuin vyörypurkaukseen tarvittava sähkökentän voimakkuus saavutetaan. Tässä tilanteessa diodin yli vaikuttava jännite ei enää kasva vaikka virtaa kasvatettaisiin.

Lämpötilariippuvuus
Kummassakin purkaustavassa virta voi kasvaa ilman, että diodin yli vaikuttava jännite merkittävästi nousee, vaan se pysyy diodille ominaisena Zener-jännitteenä. 
Vyörypurkauksessa lämpöliike häiritsee varauksenkuljettajien kiihdytystä, koska törmäyksiä on tiheämmin: siten lämpötilan noustessa vyörypurkauksen synnyttämiseksi tarvittava jännite nousee. Siksi vyörypurkauksessa Zener-jännitteen lämpötilakerroin on positiivinen. Zenerin ilmiössä lämpöliike puolestaan helpottaa tunneloituvien elektronien irtoamista ja siten Zener-jännite pienenee lämpötilan kasvaessa. 
Siten suurjännitteisten Zener-diodien Zener-jännitteen lämpötilakerroin on positiivinen ja pienjännitteisten diodien lämpötilakerroin on negatiivinen. Noin 5,6 V kohdalla mekanismien lämpötilariippuvuudet suunnilleen kumoavat toisensa ja siksi 5,6 V on erityisen stabiili zener-jännite lämpötilan suhteen.

Lähteet

Kirjallisuutta

Aiheesta muualla 

Georgia State University: The Zener Effect 
Princeton.edu: Zener diode 
Radartutorial: Zener Diodes 

Diodit
Seulonnan keskeiset artikkelit