El diodo Zener puede variar el flujo de corriente para mantener la caída de voltaje, ¿cómo funciona este efecto mágico?

Parece magia, ¿no?

Si no ha tomado un curso de física de dispositivos semiconductores , supongo que parece magia.

Las uniones PN no son resistencias. Mientras que el voltaje a través de una resistencia es proporcional a la corriente a través de

$v_R =R \cdot i_R$

la corriente a través de un diodo es aproximadamente:

$i_D = I_S(e^{\frac{qv_D}{kT}}-1)$

En palabras, la corriente del diodo aumenta exponencialmente con el voltaje del diodo.

La derivación de la ecuación del diodo no es trivial pero tampoco misteriosa; se basa en una física de dispositivos bien entendida.

Para los diodos zener y de avalancha, la explicación física es un poco más fácil de entender. De wiki :

Bajo un alto voltaje de polarización inversa, la región de agotamiento de la unión pn se expande, lo que lleva a un campo eléctrico de alta intensidad a través de la unión. Un campo eléctrico lo suficientemente fuerte permite la tunelización de electrones desde la valencia hasta la banda de conducción de un semiconductor, lo que genera un gran número de portadores de carga libres. Esta generación repentina de portadores aumenta rápidamente la corriente inversa y da lugar a la alta resistencia de pendiente del diodo Zener .

El efecto Zener es distinto del desglose por avalancha que involucra electrones portadores minoritarios en la región de transición que son acelerados por el campo eléctrico a energías suficientes para liberar pares electrón-hueco a través de colisiones con electrones enlazados. El efecto Zener o el de avalancha pueden ocurrir de forma independiente, o ambos pueden ocurrir simultáneamente. En general, las uniones de diodos que fallan por debajo de 5 V son causadas por el efecto Zener, mientras que las uniones que experimentan fallas por encima de 5 V son causadas por el efecto de avalancha.

La resistencia funciona como un "obstáculo constante" para el flujo de corriente: cuanto más "fuerza" (voltaje) aplique a través de la resistencia, más flujo de corriente obtendrá.

La descripción anterior no es la más precisa porque ignora la dependencia de la resistividad de la temperatura y la frecuencia, la electromigración, etc., pero es lo suficientemente buena para una explicación intuitiva.

Los diodos, por otro lado, no son "obstáculos constantes". Hay una región dentro de los diodos que se llama región de agotamiento (o, a veces, región de carga espacial) que es la parte más interesante de un diodo: es esta región la que hace que los diodos (y los transistores) sean tan diferentes de las resistencias. La región de agotamiento (y los efectos asociados con ella) es muy sensible al voltaje aplicado externamente.

• Para los diodos PN regulares, cuando aumenta el voltaje directo a través del diodo, la región de agotamiento se reduce de tamaño y permite que la corriente fluya "más fácilmente" (cuando la región de agotamiento se reduce, el voltaje a través de ella disminuye). Puede pensar en ello como "duplicar" el efecto del voltaje: hace que fluya más corriente y hace que la región de agotamiento se reduzca, lo que permite que fluya aún más corriente.

• Cuando se aplica voltaje inverso al diodo, la región de agotamiento se expande. No está causando que la corriente se vuelva más pequeña (a voltaje cero no hay corriente a través del diodo, pero hay algo de corriente cuando el diodo tiene polarización inversa), pero la expansión aumenta el voltaje en la región de agotamiento, por lo que "neutraliza" el aplicado externamente. polarización inversa, que evita que el flujo de corriente aumente.

El diodo PN regular se basa en los dos puntos anteriores: permite que fluyan corrientes altas bajo un voltaje relativamente constante mientras está polarizado en directa, y evita las corrientes inversas mientras está polarizado en inversa.

Los diodos Zener (y Avalanche) son similares al diodo PN normal, pero aprovechan la polarización inversa como modo de funcionamiento. Como dijimos, la corriente a través del diodo PN con polarización inversa es insignificante porque la región de agotamiento "neutraliza" el voltaje aplicado externamente. Sin embargo, todo tiene sus límites: cuando la polarización inversa del diodo cruza algún umbral, la región de agotamiento puede sufrir una ruptura (generalmente, es un efecto no destructivo). Cuando ocurre una ruptura, es como si la región de agotamiento no existiera en absoluto, y la corriente aumenta instantáneamente a valores muy altos, mientras que el voltaje a través del diodo permanece esencialmente como estaba un momento antes de la ruptura.

Mucha gente me va a querer crucificar por lo que escribí. Sí, esta es una descripción muy simplificada e inexacta del principio de funcionamiento del diodo PN (Zener, Avalanche). Sin embargo, creo que este modelo permite una comprensión intuitiva de la unión PN, sin ningún conocimiento previo en semiconductores.

"... ¿qué es exactamente lo que varían dentro de ellos que siempre obtenemos una caída de no más de 0,6 v a través de ellos?" ¡Gran pregunta!

Y aquí hay una respuesta intuitiva: lo que varía dentro de ellos es la resistencia... los diodos son resistencias dinámicas de voltaje estable que varían su resistencia para que la caída de voltaje a través de ellos sea casi constante...

"Simplemente parece magia, ¿no?" ¡Sí, lo hace!

Los diodos conducen la corriente después de que se supera un cierto umbral de energía (el voltaje de polarización) y orientan (más bien minimizan) la región de agotamiento en la polarización directa de modo que la corriente pueda fluir.

Para los diodos zener, se fabrican de manera que la polarización inversa también polarice adecuadamente la región de agotamiento para el flujo de corriente. Tiene polarización inversa porque la corriente fluye en la dirección opuesta.

También me gustaría señalar que las resistencias no siempre tienen la misma resistencia. Los componentes pasivos (resistencias, capacitores, inductores) tienen elementos parásitos . Esto significa que a ciertas frecuencias verá un comportamiento capacitivo o inductivo de estos componentes. Puede distinguir este componente por el cambio de fase de una señal variable en el tiempo en comparación con lo que espera de un componente ideal.

En resumen a la pregunta principal: los diodos conducen corriente cuando el voltaje de polarización minimiza la región de agotamiento de modo que la corriente pueda fluir en la dirección deseada.

Una descripción simplista de un diodo. Un diodo tiene dos tipos de materiales acoplados para formar una unión. Un material base como el silicio, por ejemplo, el silicio es un no conductor. Como sabrás por la física, los átomos tienen diferentes niveles de electrones. La banda exterior de silicio tiene 4 electrones (::|::), por lo que es un átomo equilibrado que comparte electrones con otros átomos de silicio. Para hacer del Silicio un elemento químico conductor se combinan ya sea agregando electrones o quitando electrones. Lo importante de esto es que el silicio con solo 3 electrones puede absorber electrones, mientras que el silicio con 5 electrones solo puede ceder electrones. Así es como funciona un semiconductor, los 2 elementos se acoplan. ( .:<|>::. ) Si la corriente se aplica en diferentes direcciones. El resultado es el siguiente. El elemento con los 5 electrones puede llenar los huecos ->|-> (.::<|>: .) del elemento con 3 electrones (Flujo de corriente de su cuarto). Invirtiendo la corriente el elemento con 3 electrones (.::<|>:.) <-|<- no tiene ninguno para ceder y el que tiene 5 no puede tomar ninguno (NO Flujo de corriente.) se forman los 0.6 a 0.7 voltios en la unión de los 2 materiales porque hay una difusión de huecos y electrones que intentan igualar las cargas en la unión, el área alrededor de la unión se carga positivamente hacia el elemento con 5 electrones. Esta carga tiene que ser excedida antes de que los electrones puedan fluir. 0,6 voltios Se forman 7 voltios en la unión de los 2 materiales porque hay una difusión de huecos y electrones que intentan igualar las cargas en la unión, el área alrededor de la unión se carga positivamente hacia el elemento con 5 electrones. Esta carga tiene que ser excedida antes de que los electrones puedan fluir. 0,6 voltios Se forman 7 voltios en la unión de los 2 materiales porque hay una difusión de huecos y electrones que intentan igualar las cargas en la unión, el área alrededor de la unión se carga positivamente hacia el elemento con 5 electrones. Esta carga tiene que ser excedida antes de que los electrones puedan fluir. 0,6 voltios