www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Zener Diyot

Resim 1: Zener diyot simgesi.

Zener diyot simgesi.

Resim 1: Zener diyot simgesi.

Resim. 1 de zener diyot simgesi görülmektedir. Grafiklerde pn-kavşağına ters yönde ön gerilim uygulanmış olduğuna dikkat ediniz. Her zener diyotun bu ters ön gerilim dışında birde azınlık taşıyıcıların neden olduğu, delinme gerilimi (breakdown voltage) denen bir gerilimi vardır. Bu delinme gerilimine varıldığında kuvvetli bir akım geçişi başlar.

Zener diyotlar farklı alanlarda kullanılmak üzere değişik biçimlerde üretilirler. En çok gerilim gerilim ayarlaması yapan devrelerde kullanılır. Delinme gerilimine ulaşıldığında kuvvetli bir akım zener diyot üzerinden akar, besleme geriliminden bağımsız olarak zener diyot üzerinde sabit gerilim tutulur. Bu özelliği nedeniyle zener diyot gerilim ayar devrelerin vazgeçilmez bir elemanıdır.

Resim.2 de görüldüğü gibi bir pn-kavşağı ters yönde ön gerilimlenmiş bir bölgede çalıştırıldığında çoğunluk yük taşıyıcıları (p-yarıiletkende delikler, n-yarıiletkende elektronlar) pn-kavşağından uzaklaşırlar ve bu sebeple kıtlık bölgesi (depletion region) genişler. Kıtlık bölgesinin çok yüksek direnci nedeniyle çoğunluk taşıyıcıları bir akım oluşturamaz. Azınlık taşıyıcılarının yarattığı çok küçük bir sızıntı akımı (leakage current), ters yönde uygulanan gerilimin belli bir değerine kadar sabit kalır. Gerilim bu değeri aşar aşmaz akım birden bir çığ gibi bel verir ve değeri birden çok yükselir. Ancak her diyot bu şekilde çalıştırılamaz. Bu bölgede kullanılacak diyotların gücünün bu ani yüksek akımı taşıyabilmesi gerekir. Zener diyotlar bu çalışma moduna uygun olarak imal edilirler.

kıtlık
bölgesi
kıtlık bölgesi
normal sınırı
Akım
kıtlık
bölgesi
kıtlık bölgesi
normal sınırı

Resim 2: Kıtlık bölgesinin büyüklüğü

Doğru polarma
kıtlık
bölgesi
kıtlık bölgesi
normal sınırı
Akım
Bir diyotta ters polarma
kıtlık
bölgesi
kıtlık bölgesi
normal sınırı

Resim 2: Kıtlık bölgesinin büyüklüğü

Zener etkisi” ilk defa 1934 yılında Dr. Carl Zener tarafından öne sürüldü. Bu kurama göre katı dielektrik malzemelerde „kuantum mekaniksel tünelleme” adı verilen bir elektriksel delinme olayı meydana gelmektedir. Zener etkisi sadece 5 volttan daha az delinme gerilimine sahip zener diyotlar için söz konusudur. Daha büyük gerilimlerde „çığ etkisi” (avalanche effect) adını verdiğimiz başka bir süreç vardır.

Zener etkisi” bir atomun kabuklarında ki enerji bantları ile açıklanır. Bu bantlardan sadece Resim.3 te gösterilen, bir zener diyota ait en dıştaki iletim bandı ve bir altındaki valans bandı konumuzla ilgilidir.

iletim bandı
p-yarıiletkeni
iletim bandı
n-yarıiletkeni
valans
bandı
valans
bandı

Resim 3: Bir zener diyotun enerji bantları.

iletim bandı
p-yarıiletkeni
iletim bandı
n-yarıiletkeni
valans
bandı
valans
bandı

Resim 3: Bir zener diyotun enerji bantları.

p- ve n-katkılı yarıiletkenlerdeki bu enerji bantları farklı enerji seviyelerine sahiptir. Resimde görüldüğü gibi p-katkılı yarıiletkenin valans bandı ile n-katkılı yarıiletkenin iletim bandı ters ön gerilimleme nedeniyle birbirleri ile örtüşmektedir. Bu koşullar altında gerilimin belirli değerinden sonra p-katkılı yarıiletkenin valans elektronları herhangi bir enerji desteği olmaksızın, eni çok çok ince kıtlık bölgesini geçecek ve n-katkılı yarıiletken malzemenin iletim bandına sızacaktır. Bu olaya „tünel etkisi” adı verilir. pn-kavşağının delinme noktasına erişildiğinde çok sayıda azınlık taşıyıcısı kıtlık bölgesini „tünelden” geçer gibi geçerek delinme akımını meydana getirir. Bu delinme olayı ancak çok aşırı katkılanmış zener diyotlarda meydana gelebilir.

Keza 5 volttan daha büyük ön geriliminin ters yönde uygulandığı, „çığ etkisi” denilen, bir başka kuram ile delinme gerilimi açıklanmaktadır. Bu diyotların kıtlık bölgesi normal diyotlara göre daha ince, ancak zener diyotlara göre daha kalındır. Zener diyotlara göre daha az sayıda olan bu katışkı atomları kalın kıtlık bölgesini daha fazla genişletir. Katışkı miktarına bağlı olarak bu delinme gerilimi 2 ila 200 V arasında değişir.

kıtlık
bölgesi
kıtlık bölgesi
normal sınırı

Resim 4: Çığ etkisi

kıtlık
bölgesi
kıtlık bölgesi
normal sınırı

Resim 4: Çığ etkisi

Çığ etkisi ve zener etkisi farklı olaylardır. Bir pn-kavşağının kıtlık bölgesinde kristalin sıcaklığına bağlı olarak bir miktar serbest elektron ve buna ait bir miktar delik bulunur. Azınlık taşıyıcılarının (burada elektronlar) elektrik alanı (pozitif gerilim) yönünde hareketleri sonucunda bir sızıntı akımı oluşur. Eğer bu gerilim değeri daha da arttırılırsa, ulaşılan bir kritik değerde serbest elektronlar kristal kafesteki atomlarla çarpışmaya başlar ve sonucunda iletim bandı elektronları koparlar ve enerjilerini salarlar. Daha sonra, kopan elektronlar serbest elektronlar haline gelirler ve kuvvetli elektrik alanının etkisi altında hızlanırlar ve kıtlık bölgesinde bir çığ düşmesi gibi delinme meydana getirirler. Resim.4 te bu olay sembolize edilmektedir.

Zener diyot karakteristik eğrisi

Resim 5: Zener diyot karakteristik eğrisi

UD delinme geriliminden daha büyük bir ters ön gerilimin uygulanması durumunda sınırsız sayıda serbest iletim elektronları oluşur, böylece diyotun iç direnci çok azalır. Bu akım neredeyse bir kısa devre akımı gibidir ve ancak harici bir direnç konularak sınırlanabilir. Direncin değeri zener diyotun ısıl dayanma gücüne uygun seçilmelidir. Bu ters ön gerilim yeniden UD delinme geriliminden daha küçük bir değere getirilirse çığ akımı ortadan kalkar.