www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Zener Diyotlar

Resim 1: Zener diyot simgesi.

Zener diyot simgesi.

Resim 1: Zener diyot simgesi.

Resim. 1 de zener diyot simgesi görülmektedir. Grafiklerde pn-birleşimin ters yönde anahtarlandığına dikkat ediniz. Her zener diyotun bu ters öngerilime rağmen, bir de azınlık taşıyıcılar nedeniyle kuvvetli bir akım geçişinin meydana geldiği, delinme gerilimi (breakdown voltage) denilen bir gerilimi vardır.

Zener diyotlar farklı alanlarda kullanılmak üzere değişik biçimlerde üretilirler. Fakat genellikle gerilim ayarlaması yapan devrelerde kullanılır. Delinme gerilimine ulaşıldığında zener diyot üzerinden kuvvetli bir akım akar. Dolayısı ile seri bağlı direnç üzerindeki gerilim düşümü ile çıkış gerilimi sabit kalır. Bu özelliği nedeniyle zener diyot, gerilim ayar devrelerinin vazgeçilmez bir elemanıdır.

Bir pn-birleşimi ters yönde öngerilimlenmiş bir bölgede çalıştırıldığında çoğunluk yük taşıyıcıları pn-birleşiminden uzaklaşırlar ve bu sebeple tükenim bölgesi (depletion region) genişler. Resim.2 de görüldüğü gibi, bu yalnızca çoğunluk taşıyıcıları (elektronları) değil, fakat aynı zamanda azınlık taşıyıcılarını da (delikleri) etkiler. Tükenim 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 üretilirler.

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

Resim 2: Tükenim bölgesinin büyüklüğü

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

Resim 2: Tükenim bölgesinin büyüklüğü

Geçmişte Z-diyotlarına „Zener diyotu” deniliyordu. „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 diyotlardaki süreci açıklayabilir. Bununla birlikte daha büyük delinme gerilimlerinde „çığ etkisi” (avalanche effect) denilen bir başka süreç vardır. Ancak, "Zener diyot" adı genellikle her iki Zener diyot tipi için de kullanılır.

Zener etkisi” bir atomun kabuklarındaki enerji bantlarının yardımıyla açıklanabilir. Bu bantlardan sadece Resim.3 te gösterilen, bir zener diyota ait en dıştaki iletim bandı ve bir altındaki değerlik bandı konumuzla ilgilidir.

iletim bandı
p-malzeme
iletim bandı
n-malzeme
Değerlik
bandı
Değerlik
bandı

Resim 3: Bir zener diyotun enerji bantları.

iletim bandı
p-malzeme
iletim bandı
n-malzeme
Değerlik
bandı
Değerlik
bandı

Resim 3: Bir zener diyotun enerji bantları.

Resim. 3 bir zener diyotundaki enerji bantlarını göstermektedir. Bu enerji bantları p- ve n-katkılı yarıiletken malzemede farklı enerji seviyelerine sahiptir. n-katkılı yarıiletken malzemeden iletim bandı ve p-katkılı yarıiletken malzemeden değerlik bandı bir zener diyotunda birbirleri ile örtüşürler. Bu koşullar altında, belirli bir gerilimin üstünde, p-katkılı yarıiletken malzemenin bağ elektronları aşırı ince engel tabakasından geçer ve n-katkılı yarıiletken malzemenin iletim bandına girer ve delinme akımını yaratır. Bu işleme „tünel etkisi” denir ve çok sayıda çok aşırı katışkı atomu (impurity atom) olan yarıiletken malzemede meydana gelir.

Delinme gerilimini açıklayan ikinci bir teori ise 5 volttan daha büyük delinme gerilimlerinde ortaya çıkan „çığ etkisi” denilen bir etkidir. Bu diyotların tükenim bölgesi normal diyotlara göre daha ince, ancak zener diyotlardan biraz daha kalındır. Zener diyotlarda tükenim bölgesinin kalınlığı daha az sayıda olan bu katışkı atomları ile artar. Katışkı miktarına bağlı olarak bu delinme gerilimi 2 ila 200 V arasında değişir.

Tükenim
bölgesi
Tükenim bölgesi
normal sınırı

Resim 4: Çığ etkisi

Tükenim
bölgesi
Tükenim bölgesi
normal sınırı

Resim 4: Çığ etkisi

Çığ etkisinin oluşumu ve zener etkisinden farklıdır. Kristalin sıcaklığına bağlı olarak bir pn-birleşiminin tükenim bölgesinde bir miktar serbest elektron ve buna ait bir miktar delik bulunur. Azınlık taşıyıcılarının (burada elektronlar) elektrik alanı (pozitif gerilim) yönünde hareketleri sonucunda bir ters akım oluşur. Eğer bu gerilim değeri daha da arttırılırsa, ulaşılan bir kritik değerde, serbest elektronlar kristal kafesteki atomlarla çarpışmaya başlar, böylece enerjilerini bağ elektronlara bırakır ve bunların bağlarını kopartırlar. Daha sonra, kopan elektronlar serbest elektronlar haline gelirler ve kuvvetli elektrik alanının etkisi altında hızlanır ve engel katmanı boyunca bir çığ düşmesi gibi delinme meydana getirirler. Resim.4 te bu olay sembolik olarak gösterilmektedir.

Zener diyot karakteristik eğrisi

Resim 5: Zener diyot karakteristik eğrisi

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