제너 다이오드
Zener diode 제너 다이오드 | |
| 유형 | 활동적인 |
|---|---|
| 작동 원리 | 제너 효과 |
| 발명된 | 클라렌스 멜빈 제너 |
| 핀 구성 | 양극과 음극 |
| 전자 기호 | |
 | |
제너 다이오드는 제너 전압으로 알려진 특정 설정 반전 전압에 도달했을 때 전류가 안정적으로 "뒤로" 흐를 수 있도록 설계된 특수한 유형의 다이오드입니다.
제너 다이오드는 매우 다양한 제너 전압으로 제조되며 일부는 가변적입니다.일부 제너 다이오드는 낮은 제너 전압으로 날카롭고 도프된 p-n 접합부를 가지고 있으며, 이 경우 p와 n 영역 사이의 짧은 공간에서 전자 양자 터널링에 의해 역전도 현상이 발생합니다. 이것은 클라렌스 제너 이후 제너 효과로 알려져 있습니다.제너 전압이 높은 다이오드는 보다 점진적인 접합을 가지며 작동 모드도 눈사태 파괴를 수반합니다.두 가지 파괴 유형은 모두 제너 다이오드에 존재하며, 제너 효과는 낮은 전압에서 우세하고 눈사태는 높은 전압에서 우세합니다.
제너 다이오드는 모든 종류의 전자 기기에 널리 사용되며 전자 회로의 기본 구성 요소 중 하나입니다.이들은 높은 전압에서 저전력 안정화 전원 레일을 생성하고 회로, 특히 안정화 전원 장치에 기준 전압을 제공하기 위해 사용됩니다.또한 과전압, 특히 정전기 방전으로부터 회로를 보호하는 데도 사용됩니다.
역사
이 장치는 1934년 전기 절연체 특성 파괴에 대한 그의 주된 이론적 연구에서 제니 효과를 처음 설명한 미국의 물리학자 클라렌스 제너의 이름을 따서 명명되었습니다.이후 그의 연구는 Bell Labs에서 이 효과를 전자 장치인 Zener [1]다이오드의 형태로 구현하도록 이끌었습니다.
작동
기존의 고체 다이오드는 역내압보다 역바이어스된 경우 상당한 전류를 허용합니다.역바이어스 파괴 전압이 초과되면 기존 다이오드는 눈사태 파괴로 인해 고전류에 노출됩니다.이 전류가 회로에 의해 제한되지 않는 한 다이오드는 과열로 인해 영구적으로 손상될 수 있습니다.제너 다이오드는 약 동일한 성질을 나타내지만 디바이스는 다운다운 전압, 이른바 제너 전압을 갖도록 특별히 설계되어 있다.기존 디바이스와 대조적으로 역바이어스 제너 다이오드는 제어된 고장을 나타내며, 전류가 제너 다이오드 전체의 전압을 제너 파괴 전압에 가깝게 유지할 수 있도록 한다.예를 들어, 제너 파괴 전압이 3.2V인 다이오드는 광범위한 역전류에 걸쳐 거의 3.2V의 전압 강하를 나타냅니다.따라서 제너 다이오드는 기준 전압(예: 앰프 스테이지)의 생성이나 저전류 애플리케이션의 [2]전압 안정기로서 이상적입니다.
눈사태 [2]다이오드와 같은 효과를 내는 또 다른 메커니즘은 눈사태 효과입니다.두 가지 유형의 다이오드는 실제로 동일한 방식으로 구성되며 이 유형의 다이오드에는 두 가지 효과가 모두 존재합니다.최대 약 5.6V의 실리콘 다이오드에서는 제너 효과가 지배적이며 음의 온도 계수를 나타냅니다.5.6V를 넘으면 눈사태 효과가 두드러지고 양의 온도 [3]계수를 나타냅니다.
5.6V 다이오드에서는 두 가지 효과가 함께 발생하고 온도 계수가 서로 거의 상쇄되므로 5.6V 다이오드는 온도에 중요한 애플리케이션에서 유용합니다.장기간에 걸쳐 안정성이 높은 전압기준에 사용되는 대안으로 같은 [4]칩으로 제조된 전방 바이어스 실리콘 다이오드(또는 트랜지스터 B-E 접점)와 직렬로 연결된 +2mV/°C(브레이크다운 전압 6.2~6.3V)의 온도계수(TC)를 가진 제너 다이오드를 사용하는 것이 있습니다.전방 바이어스 다이오드의 온도 계수는 -2 mV/°C이므로 TC가 상쇄됩니다.
또한 4.7V 제너 다이오드의 온도계수는 약 -2mV/°C에서 실리콘 트랜지스터의 이미터 베이스 접합에 가깝기 때문에 4.7V 다이오드가 NPN 트랜지스터의 베이스에서 전압을 설정하는 단순 조절회로에서는 병렬로 작용한다(즉, 그 계수)는 에미터가 된다.4V도 안 되고 온도도 안정적입니다.4.7V 미만의 최신 장치는 저온 계수가 비슷하므로 온도 안정 전압을 달성하려면 사양서에서 특정 장치의 계수를 확인하거나 측정하는 것이 좋습니다.
현대 제조 기술은 5.6V 미만의 전압과 무시할 수 있는 온도 [citation needed]계수를 가진 장치를 생산해 왔지만, 높은 전압 장치가 발견됨에 따라 온도 계수가 급격히 상승합니다.75V 다이오드의 계수는 [citation needed]12V 다이오드의 10배입니다.
제너 다이오드와 아발란체 다이오드는 고장 전압에 관계없이 일반적으로 "제너 다이오드"라는 포괄적 용어로 판매됩니다.
제너 효과가 지배적인 5.6V에서는 IV 곡선이 훨씬 더 둥글게 형성되어 있어 바이어싱 조건을 공략할 때 더욱 주의를 기울여야 합니다.5.6V 이상의 제너(눈사태에 의해 지배됨)의 IV 곡선은 분해 시 훨씬 더 선명합니다.
건설
제너 다이오드의 작동은 p-n 접합부의 심한 도핑에 의존합니다.다이오드에 형성된 고갈 영역은 매우 얇고(<1µm), 따라서 약 5V의 작은 역바이어스 전압에도 전계가 매우 높아 전자가 p형 물질의 원자가 대역에서 n형 물질의 전도 대역으로 터널링할 수 있다.
원자 규모에서 이 터널링은 양쪽의 [3]높은 수준의 도핑으로 인해 유발되는 이들 대역과 높은 전계 사이의 장벽이 감소된 결과로서 빈 전도 대역 상태로의 원자가 대역 전자의 수송에 대응합니다.도핑 과정에서 고장 전압을 매우 정확하게 제어할 수 있습니다.0.07% 이내의 공차를 사용할 수 있지만 가장 널리 사용되는 공차는 5%와 10%입니다.일반적으로 사용 가능한 Zener 다이오드의 고장 전압은 1.2V에서 200V까지 다양합니다.
가볍게 도핑된 다이오드의 경우 내역은 제너 효과보다는 눈사태 효과에 의해 좌우됩니다.따라서 이들 디바이스의 [5]고장전압(5.6V 이상)이 높아집니다.
서피스 제너
바이폴라 NPN 트랜지스터의 이미터 베이스 접점은 제너 다이오드로 동작하며, 일반적인 바이폴라 프로세스의 경우 브레이크다운전압이 약 6.8V, BiCMOS 프로세스의 가벼운 도프 베이스 영역의 경우 약 10V입니다.도핑 특성을 제대로 제어하지 못하는 이전 공정은 최대 ±1V의 제너 전압 변동을 보였으며, 이온 주입을 사용하는 새로운 공정은 ±0.25V를 초과할 수 없었다.NPN 트랜지스터 구조는 표면 제너 다이오드로 사용할 수 있으며, 콜렉터와 이미터는 캐소드, 베이스 영역은 양극으로 연결되어 있습니다.이 접근법에서는 일반적으로 베이스 도핑 프로파일이 표면 쪽으로 좁혀져 눈사태가 발생하는 전기장이 강화된 영역을 형성한다.강한 장에서 가속에 의해 생성된 열담체는 때때로 접합부 위의 산화층을 뚫고 들어가 그곳에 갇힙니다.그러면 갇힌 전하가 축적되면 접점의 제너 전압에 해당하는 변화인 '제너 워크아웃'이 발생할 수 있습니다.방사선 손상에서도 동일한 효과를 얻을 수 있습니다.
이미터 베이스 제너 다이오드는 에너지가 매우 작은 베이스 고갈 영역에서 소산되기 때문에 더 작은 전류만 처리할 수 있습니다.비산 에너지가 많으면(더 긴 시간 동안 더 높은 전류 또는 짧은 매우 높은 전류 스파이크) 접점 및/또는 접점에 열 손상이 발생합니다.접합부가 부분적으로 손상되면 제너 전압이 이동할 수 있습니다.제니르 접합부를 과열시키고 접합부를 가로질러 금속화의 이동("스파이킹")을 유발함으로써 제니르 접합부를 완전히 파괴하는 것은 의도적으로 '제너 잽'[6] 방지제로 사용될 수 있습니다.
지하 제너
지하 제너 다이오드는 '매몰 제너'라고도 불리며 표면 제너와 유사하지만 눈사태 영역이 일반적으로 산화물보다 몇 마이크로미터 아래에 있는 구조 더 깊은 곳에 위치하는 장치입니다.그런 다음 고온 캐리어는 산화층에 도달하기 전에 반도체 격자와 충돌하여 에너지를 손실하고 거기에 갇힐 수 없습니다.따라서 여기서 제너 워크아웃 현상은 발생하지 않으며 매립된 제너는 평생 일정한 전압을 유지합니다.대부분의 매립형 제너의 파괴전압은 5~7볼트입니다.몇 가지 다른 접합 구조가 사용됩니다.[7]
사용하다
표시됩니다.제너 다이오드는 전압 기준 및 소형 회로 간의 전압을 조절하는 션트 조절기로 널리 사용됩니다.가변 전압 소스와 병렬로 연결하여 역 바이어스된 경우, 제너 다이오드는 전압이 다이오드의 역내압에 도달하면 전도합니다.이후 다이오드의 낮은 임피던스는 다이오드 전체의 전압을 이 값으로 [8]유지합니다.
이 회로에서는 일반적인 전압기준 또는in 레귤레이터인 입력전압 U(상부에 +가 있음)가 안정된 출력전압out U로 조정된다.다이오드 D의 고장 전압은 넓은 전류 범위에서 안정적이며 입력 전압이 넓은 범위에서 변동하더라도 U를 약 일정하게 유지합니다out.이렇게 작동하면 다이오드의 임피던스가 낮기 때문에 저항 R을 사용하여 회로를 통과하는 전류를 제한합니다.
이 간단한 기준의 경우 다이오드에 흐르는 전류는 옴의 법칙과 저항 R의 알려진 전압 강하를 사용하여 결정됩니다.
R 값은 다음 두 가지 조건을 충족해야 합니다.
- R은 D를 통과하는 전류가 D를 역내장으로 유지할 수 있을 정도로 작아야 합니다.이 전류의 값은 D의 데이터 시트에 나와 있습니다.예를 들어 공통 BZX79C5V6[9] 디바이스인 5.6V 0.5W 제너 다이오드의 권장 반전 전류는 5mA입니다.D를 통해 불충분한 전류가 존재할 경우out U는 조절되지 않고 공칭 파괴 전압보다 작습니다(이것은 출력 전압이 공칭보다 높고 U만큼in 상승할 수 있는 전압 조절 튜브와는 다릅니다).R을 계산할 때, 이 다이어그램에 나와 있지 않은 외부 부하를 통해 U를 가로질러out 연결된 모든 전류에 대해 허용해야 합니다.
- R은 D를 통과하는 전류가 디바이스를 파괴하지 않을 정도로 커야 합니다.D를 통과하는 전류가 I인D 경우 분해 전압B V와 최대 전력 소산max P는 I V < \ < 와 같이 됩니다.
이 기준회로의 다이오드에 부하를 걸 수 있으며, 제너가 역내장으로 유지되는 한 다이오드는 부하에 안정적인 전압원을 제공합니다.이 구성의 제너 다이오드는 보다 고도의 전압 레귤레이터 회로의 안정적인 참조로 자주 사용됩니다.
션트 레귤레이터는 간단하지만 최악의 경우 동작 시 과도한 전압 강하를 피할 수 있을 정도로 밸러스트 저항이 작아야 하는 요건(높은 부하 전류와 동시에 낮은 입력 전압)은 다이오드에 많은 전류가 흐르는 경향이 있으므로 대기 전력 소산량이 높은 레귤레이터가 상당히 낭비됩니다.이온, 작은 부하에만 적합합니다.
이러한 장치는 일반적으로 베이스-이미터 접합부와 직렬로 존재하며, 눈사태 또는 제너 포인트를 중심으로 한 장치의 선택적 선택을 사용하여 트랜지스터 p-n 접합부의 보정 온도 계수 밸런싱을 도입할 수 있는 트랜지스터 단계에서도 발생합니다.이러한 종류의 사용 예로는 조정된 전원 공급 회로 피드백 루프 시스템에서 사용되는 DC 오류 증폭기가 있습니다.
제너 다이오드는 과도 전압 스파이크를 제한하기 위해 서지 프로텍터에도 사용됩니다.
제너 다이오드의 또 다른 적용은 난수 발생기에서 눈사태 파괴로 인한 노이즈를 사용하는 것입니다.
파형 클리퍼
직렬로 마주보는 2개의 제너 다이오드가 입력 신호의 양쪽 절반을 클립합니다.파형 클리퍼를 사용하면 신호의 형태를 변경할 뿐만 아니라 전압 스파이크가 전원 [10]공급기에 연결된 회로에 영향을 미치지 않도록 방지할 수 있습니다.
전압 시프터
제너 다이오드는 전압 시프터로서 동작하는 저항을 가진 회로에 적용할 수 있다.이 회로는 제너 다이오드의 파괴 전압과 동일한 양만큼 출력 전압을 낮춥니다.
전압 조절기
전압조정회로에는 제너다이오드가 인가되어 선형조정기 등의 부하에 인가되는 전압을 조정할 수 있다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
- ^ Saxon, Wolfgang (July 6, 1993). "Clarence M. Zener, 87, Physicist And Professor at Carnegie Mellon". The New York Times.
- ^ a b Millman, Jacob (1979). Microelectronics. McGraw Hill. pp. 45–48. ISBN 978-0071005968.
- ^ a b Dorf, Richard C., ed. (1993). The Electrical Engineering Handbook. Boca Raton: CRC Press. p. 457. ISBN 0-8493-0185-8.
- ^ Calibration: Philosophy in Practice. Fluke. 1994. pp. 7–10. ISBN 0963865005.
- ^ Rakesh Kumar Garg, Ashish Dixit, Pavan Yadav, Basic Electronics, 페이지 150, Firewall Media, 2008 ISBN 8131803023.
- ^ Comer, Donald T. (1996). "Zener Zap Anti-Fuse Trim in VLSI Circuits". VLSI Design. 5: 89. doi:10.1155/1996/23706.
- ^ Hastings, Alan (2005). The Art of Analog Layout (Second ed.). Prentice Hall. ISBN 9780131464100.
- ^ Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989). The Art of Electronics (2nd ed.). Cambridge University Press. pp. 68–69. ISBN 0-521-37095-7.
- ^ "BZX79C5V6 − 5.6V, 0.5W Zener Diode – data sheet". Fairchild Semiconductor. Retrieved July 22, 2014.
- ^ Diffenderfer, Robert (2005). Electronic Devices: Systems and Applications. Thomas Delmar Learning. pp. 95–100. ISBN 1401835147. Retrieved July 22, 2014.
추가 정보
외부 링크
