जेनर डायोड

एक ज़ेनर डायोड एक विशेष प्रकार का डायोड है जिसे मज़बूती से वर्तमान को पीछे की ओर प्रवाहित करने की अनुमति दी जाती है, जब एक निश्चित सेट रिवर्स वोल्टेज, जिसे  ज़ेनर वोल्टेज  के रूप में जाना जाता है, तक पहुंच जाता है।

Zener डायोड जेनर वोल्टेज की एक महान विविधता के साथ निर्मित होते हैं और कुछ भी परिवर्तनशील होते हैं। कुछ ज़ेनर डायोड में कम ज़ेनर वोल्टेज के साथ एक तेज, अत्यधिक डोपेड पी -एन जंक्शन होता है, जिस स्थिति में पी और एन क्षेत्रों के बीच छोटी जगह में इलेक्ट्रॉन क्वांटम टनलिंग के कारण रिवर्स चालन होता है - यह ज़ेनर प्रभाव के रूप में जाना जाता है, बाद क्लेरेंस ज़ेनर। एक उच्च Zener वोल्टेज वाले डायोड में एक अधिक क्रमिक जंक्शन होता है और उनके संचालन के मोड में हिमस्खलन टूटना भी शामिल है। दोनों ब्रेकडाउन प्रकार ज़ेनर डायोड में मौजूद हैं, जो कि कम वोल्टेज पर जेनर प्रभाव और उच्च वोल्टेज पर हिमस्खलन टूटने के साथ होता है।

ज़ेनर डायोड का उपयोग व्यापक रूप से सभी प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है और इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के बुनियादी बिल्डिंग ब्लॉकों में से एक है। वे उच्च वोल्टेज से कम-शक्ति स्थिर आपूर्ति रेल उत्पन्न करने और सर्किट, विशेष रूप से स्थिर बिजली की आपूर्ति के लिए संदर्भ वोल्टेज प्रदान करने के लिए उपयोग किए जाते हैं। उनका उपयोग सर्किट को ओवरवॉल्टेज, विशेष रूप से इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज से बचाने के लिए भी किया जाता है।

इतिहास
डिवाइस का नाम अमेरिकी भौतिक विज्ञानी क्लेरेंस ज़ेनर के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने पहली बार 1934 में ज़ेनर प्रभाव का वर्णन किया था जो अपने मुख्य रूप से इलेक्ट्रिकल इन्सुलेटर गुणों के टूटने के सैद्धांतिक अध्ययन में था।बाद में, उनके काम ने एक इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस, ज़ेनर डायोड के रूप में प्रभाव के बेल लैब्स कार्यान्वयन के लिए नेतृत्व किया।

ऑपरेशन
एक पारंपरिक ठोस-राज्य डायोड महत्वपूर्ण धारा की अनुमति देता है यदि यह रिवर्स-बायस्ड अपने रिवर्स ब्रेकडाउन वोल्टेज के ऊपर है। जब रिवर्स बायस ब्रेकडाउन वोल्टेज पार हो जाता है, तो एक पारंपरिक डायोड हिमस्खलन टूटने के कारण उच्च धारा के अधीन होता है। जब तक यह वर्तमान सर्किटरी द्वारा सीमित नहीं है, तब तक डोडे को ओवरहीटिंग के कारण स्थायी रूप से क्षतिग्रस्त किया जा सकता है। एक ज़ेनर डायोड लगभग समान गुणों को प्रदर्शित करता है, सिवाय डिवाइस को विशेष रूप से डिज़ाइन किया गया है ताकि एक कम ब्रेकडाउन वोल्टेज, तथाकथित ज़ेनर वोल्टेज हो। पारंपरिक डिवाइस के विपरीत, एक रिवर्स-बायस्ड ज़ेनर डायोड एक नियंत्रित ब्रेकडाउन को प्रदर्शित करता है और करंट को ज़ेनर डायोड के पार वोल्टेज को ज़ेनर ब्रेकडाउन वोल्टेज के करीब रखने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, 3.2 V के Zener ब्रेकडाउन वोल्टेज के साथ एक डायोड रिवर्स धाराओं की एक विस्तृत श्रृंखला में लगभग 3.2 V की एक वोल्टेज ड्रॉप प्रदर्शित करता है। ज़ेनर डायोड इसलिए अनुप्रयोगों के लिए आदर्श है जैसे कि एक संदर्भ वोल्टेज की पीढ़ी (जैसे कि एक एम्पलीफायर चरण के लिए), या कम-वर्तमान अनुप्रयोगों के लिए वोल्टेज स्टेबलाइजर के रूप में। एक अन्य तंत्र जो एक समान प्रभाव पैदा करता है, वह हिमस्खलन प्रभाव है जैसा कि हिमस्खलन डायोड में है। दो प्रकार के डायोड वास्तव में एक ही तरह से निर्मित होते हैं और दोनों प्रभाव इस प्रकार के डायोड में मौजूद होते हैं।सिलिकॉन डायोड में लगभग 5.6 वोल्ट तक, ज़ेनर प्रभाव प्रमुख प्रभाव है और एक चिह्नित नकारात्मक तापमान गुणांक दिखाता है।5.6 वोल्ट से ऊपर, हिमस्खलन प्रभाव प्रमुख हो जाता है और एक सकारात्मक तापमान गुणांक प्रदर्शित करता है। 5.6 वी डायोड में, दो प्रभाव एक साथ होते हैं, और उनके तापमान गुणांक लगभग एक-दूसरे को रद्द करते हैं, इस प्रकार 5.6 वी डायोड तापमान-महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में उपयोगी है।एक विकल्प, जिसका उपयोग वोल्टेज संदर्भों के लिए किया जाता है, जो लंबे समय तक अत्यधिक स्थिर होने की आवश्यकता है, यह है कि +2 mV/° C (ब्रेकडाउन वोल्टेज 6.2-6.3 V) के तापमान गुणांक (TC) के साथ एक Zener डायोड का उपयोग किया जाता हैएक ही चिप पर निर्मित एक फॉरवर्ड-बायस्ड सिलिकॉन डायोड (या ट्रांजिस्टर बी-ई जंक्शन) के साथ श्रृंखला में। फॉरवर्ड-बायस्ड डायोड में −2 mV/° C का तापमान गुणांक होता है, जिससे TCS को रद्द कर दिया जाता है।

यह भी ध्यान देने योग्य है कि 4.7V ज़ेनर डायोड का तापमान गुणांक लगभग -2 mV/° C पर एक सिलिकॉन ट्रांजिस्टर के एमिटर -बेस जंक्शन के करीब है, इसलिए एक साधारण विनियमन सर्किट में जहां 4.7V डायोड सेट होता हैएक एनपीएन ट्रांजिस्टर के आधार पर वोल्टेज (यानी उनके गुणांक समानांतर में काम कर रहे हैं), एमिटर लगभग 4V पर होगा और तापमान के साथ काफी स्थिर होगा।4.7V से नीचे के आधुनिक उपकरणों में कम तापमान गुणांक होते हैं, इसलिए यदि आप तापमान-स्थिर वोल्टेज प्राप्त करना चाहते हैं, तो विशिष्ट उपकरणों के गुणांक के लिए (या मापने) के लिए विनिर्देशन शीट की जाँच करने के लायक है।

आधुनिक विनिर्माण तकनीकों ने नगण्य तापमान गुणांक के साथ 5.6 V से कम वोल्टेज वाले उपकरणों का उत्पादन किया है, लेकिन जैसे-जैसे उच्च-वोल्टेज उपकरणों का सामना किया जाता है, तापमान गुणांक नाटकीय रूप से बढ़ जाता है।एक 75 वी डायोड में 12 वी डायोड का गुणांक 10 गुना होता है। ज़ेनर और हिमस्खलन डायोड, ब्रेकडाउन वोल्टेज की परवाह किए बिना, आमतौर पर ज़ेनर डायोड के छाता शब्द के तहत विपणन किया जाता है।

5.6 V के तहत, जहां ज़ेनर प्रभाव हावी है, ब्रेकडाउन के पास IV वक्र बहुत अधिक गोल है, जो अपनी पूर्वाग्रह स्थितियों को लक्षित करने में अधिक देखभाल के लिए कहता है।5.6 V (हिमस्खलन द्वारा हावी होने के नाते) से ऊपर Zeners के लिए IV वक्र, टूटने पर बहुत तेज है।

निर्माण
ज़ेनर डायोड का संचालन इसके पी -एन जंक्शन के भारी डोपिंग पर निर्भर करता है।डायोड में गठित कमी क्षेत्र बहुत पतला (<1 माइक्रोन) है और विद्युत क्षेत्र परिणामस्वरूप लगभग 5 वी के एक छोटे रिवर्स बायस वोल्टेज के लिए भी बहुत अधिक (लगभग 500 केवी/एम) होता है, जिससे वैलेंस बैंड से सुरंग की अनुमति मिलती हैएन-टाइप सामग्री के चालन बैंड के लिए पी-प्रकार की सामग्री।

परमाणु पैमाने पर, यह टनलिंग खाली चालन बैंड राज्यों में वैलेंस बैंड इलेक्ट्रॉनों के परिवहन से मेल खाती है;इन बैंडों और उच्च विद्युत क्षेत्रों के बीच कम बाधा के परिणामस्वरूप, जो दोनों पक्षों पर डोपिंग के उच्च स्तर के कारण प्रेरित होते हैं। ब्रेकडाउन वोल्टेज को डोपिंग प्रक्रिया में काफी सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है।जबकि 0.07% के भीतर सहिष्णुता उपलब्ध है, सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले सहिष्णुता 5% और 10% हैं।आमतौर पर उपलब्ध ज़ेनर डायोड के लिए ब्रेकडाउन वोल्टेज 1.2 वी से 200 वी तक व्यापक रूप से भिन्न हो सकता है।

उन डायोड के लिए जो हल्के से डोप किए जाते हैं, ब्रेकडाउन को ज़ेनर प्रभाव के बजाय हिमस्खलन प्रभाव पर हावी किया जाता है।नतीजतन, इन उपकरणों के लिए ब्रेकडाउन वोल्टेज अधिक (5.6 वी से अधिक) है।

सतह Zeners
एक द्विध्रुवी एनपीएन ट्रांजिस्टर का एमिटर-बेस जंक्शन एक ज़ेनर डायोड के रूप में व्यवहार करता है, जिसमें सामान्य द्विध्रुवी प्रक्रियाओं के लिए लगभग 6.8 वी पर ब्रेकडाउन वोल्टेज और बीआईसीएमओएस प्रक्रियाओं में हल्के से डोप किए गए आधार क्षेत्रों के लिए लगभग 10 वी है। डोपिंग विशेषताओं के खराब नियंत्रण के साथ पुरानी प्रक्रियाओं में ± 1 V तक ज़ेनर वोल्टेज की भिन्नता थी, आयन आरोपण का उपयोग करने वाली नई प्रक्रियाएं ± 0.25 वी से अधिक नहीं प्राप्त कर सकती हैं। एनपीएन ट्रांजिस्टर संरचना को एक सतह ज़ेनर डायोड के रूप में नियोजित किया जा सकता है, कलेक्टर और कलेक्टर के साथ, कलेक्टर के साथ, कलेक्टर और कलेक्टर के साथ। एमिटर अपने कैथोड और आधार क्षेत्र के रूप में एनोड के रूप में एक साथ जुड़ा हुआ है। इस दृष्टिकोण में बेस डोपिंग प्रोफ़ाइल आमतौर पर सतह की ओर बढ़ती है, जिससे तीव्र विद्युत क्षेत्र के साथ एक क्षेत्र का निर्माण होता है जहां हिमस्खलन टूट जाता है। गहन क्षेत्र में त्वरण द्वारा उत्पादित गर्म वाहक कुछ समय के लिए जंक्शन के ऊपर ऑक्साइड परत में शूट करते हैं और वहां फंस जाते हैं। फंसे हुए आरोपों का संचय तब 'ज़ेनर वॉकआउट' का कारण बन सकता है, जंक्शन के ज़ेनर वोल्टेज का एक समान परिवर्तन। एक ही प्रभाव विकिरण क्षति से प्राप्त किया जा सकता है।

एमिटर-बेस ज़ेनर डायोड केवल छोटी धाराओं को संभाल सकते हैं क्योंकि ऊर्जा को आधार की कमी वाले क्षेत्र में विघटित किया जाता है जो बहुत छोटा होता है। विघटित ऊर्जा की उच्च मात्रा (लंबे समय के लिए उच्च वर्तमान, या बहुत अधिक उच्च वर्तमान स्पाइक) जंक्शन और/या इसके संपर्कों को थर्मल क्षति का कारण बनती है। जंक्शन का आंशिक क्षति अपने ज़ेनर वोल्टेज को स्थानांतरित कर सकती है। ज़ेनर जंक्शन का कुल विनाश इसे ओवरहीट करके और जंक्शन (स्पाइकिंग) के पार धातुकरण के प्रवास का कारण बनकर जानबूझकर एक 'ज़ेनर जैप' एंटीफ्यूज़ के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।

उपसतह Zeners
एक उपसतह ज़ेनर डायोड, जिसे 'दफन ज़ेनर' भी कहा जाता है, सतह ज़ेनर के समान एक उपकरण है, लेकिन हिमस्खलन क्षेत्र के साथ संरचना में गहरा स्थित है, आमतौर पर ऑक्साइड के नीचे कई माइक्रोमीटर।गर्म वाहक तब ऑक्साइड परत तक पहुंचने से पहले अर्धचालक जाली के साथ टकराव द्वारा ऊर्जा खो देते हैं और वहां फंस नहीं सकते।ज़ेनर वॉकआउट घटना इसलिए यहां नहीं होती है, और दफन ज़ेनर्स के पास अपने पूरे जीवनकाल में वोल्टेज स्थिर होता है।अधिकांश दफन ज़ेनर्स में 5-7 वोल्ट का ब्रेकडाउन वोल्टेज होता है।कई अलग -अलग जंक्शन संरचनाओं का उपयोग किया जाता है।

उपयोग
ज़ेनर डायोड का उपयोग व्यापक रूप से वोल्टेज संदर्भ के रूप में किया जाता है और छोटे सर्किट में वोल्टेज को विनियमित करने के लिए शंट नियामकों के रूप में।जब एक चर वोल्टेज स्रोत के साथ समानांतर में जुड़ा हुआ है ताकि यह रिवर्स बायस्ड हो, तो एक ज़ेनर डायोड तब संचालित होता है जब वोल्टेज डायोड के रिवर्स ब्रेकडाउन वोल्टेज तक पहुंचता है।उस बिंदु से, डायोड का कम प्रतिबाधा वोल्टेज को उस मूल्य पर डायोड के पार रखता है।

इस सर्किट में, एक विशिष्ट वोल्टेज संदर्भ या नियामक, एक इनपुट वोल्टेज, यूin (शीर्ष पर + के साथ), एक स्थिर आउटपुट वोल्टेज यू के लिए नीचे विनियमित हैout।डायोड डी का ब्रेकडाउन वोल्टेज एक विस्तृत वर्तमान सीमा पर स्थिर है और यू को धारण करता हैout लगभग स्थिर होने के बावजूद इनपुट वोल्टेज एक विस्तृत श्रृंखला में उतार -चढ़ाव कर सकता है।इस तरह से संचालित होने पर डायोड के कम प्रतिबाधा के कारण, प्राइजन आर का उपयोग सर्किट के माध्यम से करंट को सीमित करने के लिए किया जाता है।

इस सरल संदर्भ के मामले में, डायोड में प्रवाहित प्रवाह को ओम के कानून और अवरोधक आर में ज्ञात वोल्टेज ड्रॉप का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है;
 * $$I_\text{diode} = \frac{U_\text{in} - U_\text{out}}{R}$$

आर के मूल्य को दो शर्तों को पूरा करना चाहिए:
 * 1) R इतना छोटा होना चाहिए कि D के माध्यम से वर्तमान रिवर्स ब्रेकडाउन में D रखता है।इस करंट का मान डी के लिए डेटा शीट में दिया गया है। उदाहरण के लिए, सामान्य BZX79C5V6 डिवाइस, एक 5.6 वी 0.5 डब्ल्यू ज़ेनर डायोड, 5 की अनुशंसित रिवर्स करंट हैमा।यदि अपर्याप्त धारा d के माध्यम से मौजूद है, तो यूout अनियमित है और नाममात्र ब्रेकडाउन वोल्टेज से कम है (यह वोल्टेज-नियामक ट्यूबों से भिन्न होता है जहां आउटपुट वोल्टेज नाममात्र से अधिक है और यू के रूप में उच्च वृद्धि हो सकती हैin)।आर की गणना करते समय, बाहरी लोड के माध्यम से किसी भी वर्तमान के लिए भत्ता बनाया जाना चाहिए, इस आरेख में नहीं दिखाया गया है, जो यू में जुड़ा हुआ हैout।
 * 2) R इतना बड़ा होना चाहिए कि D के माध्यम से वर्तमान डिवाइस को नष्ट नहीं करता है।अगर डी के माध्यम से करंट मैं हूंD, इसका ब्रेकडाउन वोल्टेज वीB और इसकी अधिकतम शक्ति अपव्यय पीmax इस तरह से सहसंबंधित: $$I_D V_B < P_\text{max}$$।

इस संदर्भ सर्किट में डायोड के पार एक लोड रखा जा सकता है, और जब तक ज़ेनर रिवर्स ब्रेकडाउन में रहता है, तब तक डायोड लोड को एक स्थिर वोल्टेज स्रोत प्रदान करता है। इस कॉन्फ़िगरेशन में ज़ेनर डायोड को अक्सर अधिक उन्नत वोल्टेज नियामक सर्किट के लिए स्थिर संदर्भ के रूप में उपयोग किया जाता है।

शंट नियामक सरल हैं, लेकिन आवश्यकताएं हैं कि गिट्टी रोकनेवाला सबसे छोटा होता है कि सबसे खराब स्थिति के दौरान अत्यधिक वोल्टेज ड्रॉप से ​​बचने के लिए (उच्च लोड करंट के साथ कम इनपुट वोल्टेज समवर्ती) समय के डायोड में बहुत सारे प्रवाह को छोड़ने के लिए जाता है।, उच्च quiescent शक्ति अपव्यय के साथ एक काफी बेकार नियामक के लिए बनाना, केवल छोटे भार के लिए उपयुक्त है।

इन उपकरणों का सामना भी किया जाता है, आमतौर पर एक बेस-एमिटर जंक्शन के साथ श्रृंखला में, ट्रांजिस्टर चरणों में, जहां हिमस्खलन या ज़ेनर बिंदु पर केंद्रित एक उपकरण की चयनात्मक विकल्प का उपयोग ट्रांजिस्टर पी-एन जंक्शन के तापमान सह-कुशल संतुलन की भरपाई करने के लिए किया जा सकता है। । इस तरह के उपयोग का एक उदाहरण एक विनियमित पावर सप्लाई सर्किट फीडबैक लूप सिस्टम में उपयोग किया जाने वाला डीसी त्रुटि एम्पलीफायर होगा।

ज़ेनर डायोड का उपयोग क्षणिक वोल्टेज स्पाइक्स को सीमित करने के लिए सर्ज प्रोटेक्टर्स में भी किया जाता है।

ज़ेनर डायोड का एक अन्य अनुप्रयोग एक यादृच्छिक संख्या जनरेटर में अपने हिमस्खलन टूटने के कारण होने वाले शोर का उपयोग है।

वेवफॉर्म क्लिपर
श्रृंखला में एक दूसरे का सामना करने वाले दो ज़ेनर डायोड एक इनपुट सिग्नल के दोनों हिस्सों को क्लिप करते हैं।वेवफॉर्म क्लिपर्स का उपयोग न केवल एक सिग्नल को फिर से खोलने के लिए किया जा सकता है, बल्कि वोल्टेज स्पाइक्स को पावर सप्लाई से जुड़े सर्किट को प्रभावित करने से रोकने के लिए भी किया जा सकता है।

वोल्टेज शिफ्टर
एक ज़ेनर डायोड को एक वोल्टेज शिफ्टर के रूप में कार्य करने के लिए एक रोकनेवाला के साथ एक सर्किट पर लागू किया जा सकता है।यह सर्किट आउटपुट वोल्टेज को एक मात्रा से कम करता है जो ज़ेनर डायोड के ब्रेकडाउन वोल्टेज के बराबर है।

वोल्टेज नियामक
एक लोड पर लागू वोल्टेज को विनियमित करने के लिए एक वोल्टेज नियामक सर्किट में एक ज़ेनर डायोड लागू किया जा सकता है, जैसे कि एक रैखिक नियामक में।

यह भी देखें

 * पिछड़े डायोड
 * पसंदीदा नंबरों की ई-सीरीज़
 * क्षणिक वोल्टेज दमन डायोड

अग्रिम पठन

 * TVS/Zener Theory and Design Considerations; ON Semiconductor; 127 pages; 2005; HBD854/D. (Free PDF download)

बाहरी संबंध

 * Zener Diode Axial Part Number Table
 * Patent US4138280A