जेनर डायोड

Zener diode

File:Zener Diode.JPG Zener diode
प्रकार	Active
Working principle	Zener effect
आविष्कार किया	Clarence Melvin Zener
Pin configuration	Anode and cathode
Electronic symbol
File:Zener diode symbol-2.svg

जेनर डायोड एक विशेष प्रकार का डायोड होता है जिसे एक निश्चित संग्रह विपरीत वोल्टता, जिसे जेनर वोल्टता के रूप में जाना जाता है, तक पहुंचने पर विद्युत प्रवाह को "pछे की ओर" प्रवाहित करने की अनुमति देने के लिए प्रारुप किया गया है।

जेनर डायोड कई प्रकार के जेनर वोल्टता के साथ निर्मित होते हैं और कुछ परिवर्तनशील भी होते हैं। कुछ जेनर डायोड में कम जेनर वोल्टता के साथ एक तेज, अत्यधिक अपमिश्रित p-n संधि होता है, इस मामले में p और n क्षेत्रों के बीच कम जगह में इलेक्ट्रॉन क्वान्टम सुरंगन के कारण विपरीत चालन होता है क्लेरेंस जेनर के बाद इसे जेनर प्रभाव के रूप में जाना जाता है। उच्च जेनर वोल्टता वाले डायोड में अधिक क्रमिक संधि होता है और उनके संचालन के तरीके में हिमस्खलन टूटना भी शामिल होता है। दोनों भंजन प्रकार जेनर डायोड में मौजूद होते हैं जिनमें जेनर प्रभाव कम वोल्टता पर और उच्च वोल्टता पर हिमस्खलन टूटने पर होता है।

जेनर डायोड सभी प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं और इलेक्ट्रॉनिक परिपथ के बुनियादी निर्माण खंडों में से एक हैं। उनका उपयोग उच्च वोल्टता से कम-शक्ति स्थिर आपूर्ति रेल उत्पन्न करने और परिपथ के लिए संदर्भ वोल्टता प्रदान करने के लिए विशेष रूप से स्थिर बिजली की आपूर्ति किया जाता है। उनका उपयोग परिपथ को अधिवोल्टता, विशेष रूप से स्थिरवैद्युत निर्वहन से बचाने के लिए भी किया जाता है।

इतिहास

उपकरण का नाम अमेरिकी भौतिक विज्ञानी क्लेरेंस जेनर के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने पहली बार 1934 में विद्युत अवरोधक गुणों के टूटने के अपने मुख्य रूप से सैद्धांतिक अध्ययन में जेनर प्रभाव का वर्णन किया था। बाद में, उनके काम ने बेल लैब्स को एक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण, जेनर डायोड के रूप में प्रभाव के कार्यान्वयन के लिए प्रेरित किया।

संचालन

File:3.4V Zener diode V-A characteristic.svg

3.4 & nbsp, v के भंजन वोल्टता के साथ एक ज़ेनर डायोड की वर्तमान- वोल्टता विशेषता।

File:Temperaturkennlinie von Z-Dioden.svg

नाममात्र ज़ेनर वोल्टता के खिलाफ ज़ेनर वोल्टता का तापमान गुणांक।

एक पारंपरिक ठोसावस्था डायोड महत्वपूर्ण विद्युत प्रवाह की अनुमति देता है यदि यह इसके विपरीत भंजन वोल्टता के ऊपर विपरीत अभिनत है। जब विपरीत अभिनत भंजन वोल्टता पार हो जाता है, तो एक पारंपरिक डायोड हिमस्खलन टूटने के कारण उच्च धारा के अधीन होता है। जब तक यह धारा परिपथ द्वारा सीमित न हो, अति ताप के कारण डायोड स्थायी रूप से क्षतिग्रस्त हो सकता है। एक जेनर डायोड लगभग समान गुणों को प्रदर्शित करता है, सिवाय इसके कि उपकरण को विशेष रूप से प्रारुप किया गया है ताकि कम भंजन वोल्टता, तथाकथित जेनर वोल्टता हो। पारंपरिक उपकरण के विपरीत, एक विपरीत अभिनत जेनर डायोड एक नियंत्रित भंजन प्रदर्शित करता है और विद्युत प्रवाह को जेनर डायोड में जेनर भंजन वोल्टता के करीब वोल्टता रखने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, 3.2 V के जेनर भंजन वोल्टता वाला डायोड विपरीत धाराओं की एक विस्तृत श्रृंखला में लगभग 3.2 V की वोल्टता पात प्रदर्शित करता है। जेनर डायोड संदर्भ वोल्टता की pढ़ी (उदाहरण के लिए एक एम्पलीफायर चरण के लिए), या कम-वर्तमान अनुप्रयोगों के लिए वोल्टता स्थिरक के रूप में अनुप्रयोगों के लिए आदर्श है।

एक अन्य तंत्र जो समान प्रभाव उत्पन्न करता है वह है हिमस्खलन प्रभाव जैसा कि हिमस्खलन डायोड में होता 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। लगभग 5.6 वोल्ट (V) तक के सिलिकॉन डायोड में, जेनर प्रभाव प्रमुख प्रभाव होता है और एक चिह्नित नकारात्मक तापमान गुणांक दिखाता है। 5.6 वोल्ट (V) से ऊपर, हिमस्खलन प्रभाव प्रबल हो जाता है और एक सकारात्मक तापमान गुणांक प्रदर्शित करता है।

5.6 V डायोड में, दो प्रभाव एक साथ होते हैं, और उनके तापमान गुणांक लगभग एक दूसरे को रद्द कर देते हैं, इस प्रकार 5.6 V डायोड तापमान-महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में उपयोगी होता है। एक विकल्प, जिसका उपयोग वोल्टता संदर्भों के लिए किया जाता है, जिसे लंबे समय तक अत्यधिक स्थिर रहने की आवश्यकता होती है, एक जेनर डायोड का उपयोग करना है जिसका तापमान गुणांक (TC) +2 mV/°C (भंजन वोल्टता 6.2–6.3 V) एक ही चिप पर निर्मित अग्र अभिनत सिलिकॉन डायोड (या एक प्रतिरोधान्तरित्र B-E संधि) के साथ श्रृंखला में जुड़ा हुआ है। अग्र अभिनत डायोड में -2 mV/°C का तापमान गुणांक होता है, जिससे TCs रद्द हो जाते हैं।

यह भी ध्यान देने योग्य है कि 4.7 V जेनर डायोड का तापमान गुणांक एक सिलिकॉन प्रतिरोधान्तरित्र के उत्सर्जक आधार संधि के करीब -2 mV/°C पर होता है, इसलिए एक साधारण नियामक परिपथ में जहां 4.7 V डायोड संग्रह होता है NPN प्रतिरोधान्तरित्र के आधार पर वोल्टता (यानी उनके गुणांक समानांतर में काम कर रहे हैं), उत्सर्जक लगभग 4 V पर होगा और तापमान के साथ काफी स्थिर होगा। 4.7 V से नीचे के आधुनिक उपकरणों में समान कम तापमान गुणांक होते हैं, इसलिए यदि आप तापमान-स्थिर वोल्टता प्राप्त करना चाहते हैं तो विशिष्ट उपकरणों के गुणांक (या मापने) के लिए विनिर्देश पत्रक की जांच करना उचित है।

आधुनिक निर्माण तकनीकों ने नगण्य तापमान गुणांक के साथ 5.6 V से कम वोल्टता वाले उपकरणों का उत्पादन किया है, लेकिन जैसे-जैसे उच्च- वोल्टता उपकरणों का सामना करना पड़ता है, तापमान गुणांक नाटकीय रूप से बढ़ जाता है। एक 75 V डायोड में 12 V डायोड के गुणांक का 10 गुना होता है।

जेनर और हिमस्खलन डायोड, भंजन वोल्टता की परवाह किए बिना, आमतौर पर "जेनर डायोड" के छत्र शब्द के तहत विपणन किया जाता है।

5.6 V के तहत, जहां जेनर प्रभाव हावी है, टूटने के निकट IV वक्र अधिक गोल है, जो इसकी पूर्वाग्रह स्थितियों को लक्षित करने में अधिक देखभाल की मांग करता है। 5.6 V (हिमस्खलन का दबदबा होने के कारण) से ऊपर जेनर्स के लिए IV वक्र टूटने पर बहुत तेज होता है।

निर्माण

जेनर डायोड का संचालन इसके p-n संधि के भारी अपमिश्रण पर निर्भर करता है। डायोड में बनने वाला अवक्षय क्षेत्र बहुत पतला होता है (<1 µm) और विद्युत क्षेत्र परिणामस्वरूप बहुत अधिक (लगभग 500 kV/m) होता है, यहां तक कि लगभग 5 V के एक छोटे विपरीत अभिनत वोल्टता के लिए भी, इलेक्ट्रॉनों को संयोजी बंध से सुरंग में p-प्रकार की सामग्री के n-प्रकार की सामग्री के चालन बंध के लिए जाने की अनुमति देता है।।

परमाणु पैमाने पर, यह सुरंग खाली चालन बंध राज्यों में संयोजी बंध इलेक्ट्रॉनों के परिवहन से मेल खाती है, इन बंधों और उच्च विद्युत क्षेत्रों के बीच कम अवरोध के परिणामस्वरूप जो दोनों तरफ अपमिश्रण के उच्च स्तर के कारण प्रेरित होते हैं। अपमिश्रण प्रक्रिया में भंजन वोल्टता को काफी सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है। जबकि 0.07% के भीतर सहिष्णुता उपलब्ध है, सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली सहिष्णुता 5% और 10% है। आमतौर पर उपलब्ध जेनर डायोड के लिए भंजन वोल्टता 1.2 V से 200 V तक व्यापक रूप से भिन्न हो सकता है।

हल्के से अपमिश्रित किए गए डायोड के लिए जेनर प्रभाव के बजाय हिमस्खलन प्रभाव पर भंजन का प्रभुत्व होता है। नतीजतन, इन उपकरणों के लिए भंजन वोल्टता अधिक (5.6 V से अधिक) है।

भूतल जेनर्स

द्विध्रुवी NPN प्रतिरोधान्तरित्र का उत्सर्जक आधार संधि जेनर डायोड के रूप में व्यवहार करता है, सामान्य द्विध्रुवी प्रक्रियाओं के लिए लगभग 6.8 V पर भंजन वोल्टता के साथ और BiCMOS प्रक्रियाओं में आधार क्षेत्रों के लिए लगभग 10 V हल्के से अपमिश्रित किए गए। अपमिश्रण विशेषताओं के खराब नियंत्रण के साथ पुरानी प्रक्रियाओं में ± 1 V तक जेनर वोल्टता की भिन्नता थी, आयन समाविष्ट का उपयोग करने वाली नई प्रक्रियाएं ± 0.25 V से अधिक नहीं प्राप्त कर सकती हैं। NPN प्रतिरोधान्तरित्र संरचना को सतह जेनर डायोड के रूप में नियोजित किया जा सकता है, संकलनकर्ता के साथ और उत्सर्जक अपने कैथोड के रूप में और आधार क्षेत्र को एनोड के रूप में एक साथ जोड़ता है। इस दृष्टिकोण में आधार अपमिश्रण रूपरेखा आमतौर पर सतह की ओर संकुचित होती है, जिससे तीव्र विद्युत क्षेत्र वाला क्षेत्र बनता है जहां हिमस्खलन टूटना होता है। तीव्र क्षेत्र में त्वरण द्वारा उत्पन्न गर्म वाहक कभी-कभी संधि के ऊपर ऑक्साइड परत में प्रवेश करते हैं और वहीं फंस जाते हैं। विपाशित प्रभार का संचय तब 'जेन बहिष्कार (जेनर वॉकआउट)' का कारण बन सकता है, जो संधि के जेनर वोल्टता का एक समान परिवर्तन है। विकिरण क्षति से एक ही प्रभाव प्राप्त किया जा सकता है।

उत्सर्जक आधार जेनर डायोड केवल छोटी धाराओं को संभाल सकता है क्योंकि आधार अवक्षय क्षेत्र में ऊर्जा का प्रसार होता है जो बहुत छोटा होता है। विघटित ऊर्जा की अधिक मात्रा (अधिक समय के लिए उच्च धारा, या एक बहुत ही उच्च वर्तमान कणिश) संधि और/या उसके संपर्कों को ऊष्मीय क्षति का कारण बनती है। संधि की आंशिक क्षति इसके जेनर वोल्टता को स्थानांतरित कर सकती है। जेनर संधि को अत्यधिक गर्म करके और संधि (" कणिश") में धातुकरण के प्रवास के कारण पूरी तरह से नष्ट कर दिया जा सकता है, जानबूझकर 'जेनर जैप' एंटीफ्यूज के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।

उपसतह ज़ेनर्स

File:Buried zener structure-en.svg

दफन ज़ेनर संरचना

उपसतह जेनर डायोड, जिसे 'दफन जेनर' भी कहा जाता है, सतह जेनर के समान एक उपकरण है, लेकिन संरचना में गहरे हिमस्खलन क्षेत्र के साथ, आमतौर पर ऑक्साइड के नीचे कई माइक्रोमीटर (micrometer) होते हैं। गर्म वाहक तब ऑक्साइड परत तक पहुंचने से पहले अर्धचालक जाली के साथ टकराव से ऊर्जा खो देते हैं और वहां फंस नहीं सकते हैं। इसलिए जेनर बहिष्कार घटना यहां नहीं होती है, और दफन ज़ेनर्स के पूरे जीवनकाल में वोल्टता स्थिर रहता है। अधिकांश दबे हुए जेनर्स में 5-7 V का भंजन वोल्टता होता है। कई अलग-अलग संधि संरचनाओं का उपयोग किया जाता है।

उपयोग

File:Zener 3D and ckt.png

ज़ेनर डायोड विशिष्ट पैकेज के साथ दिखाया गया है।उलटी बिजली $-i_{Z}$ दिखाई जा रही है।

जेनर डायोड का व्यापक रूप से वोल्टता संदर्भ के रूप में और छोटे परिपथ में वोल्टता को विनियमित करने के लिए पार्श्वपथ नियामक के रूप में उपयोग किया जाता है। जब एक चर वोल्टता स्रोत के साथ समानांतर में जुड़ा होता है ताकि यह विपरीत अभिनत हो, एक जेनर डायोड तब संचालित होता है जब वोल्टता डायोड के विपरीत भंजन वोल्टता तक पहुंच जाता है। उस बिंदु से, डायोड की कम प्रतिबाधा डायोड के पार वोल्टता को उस मान पर बनाए रखती है।

केंद्र

इस परिपथ में, एक विशिष्ट वोल्टता संदर्भ या नियामक, एक निविष्ट वोल्टता,U_in (शीर्ष पर + के साथ), एक स्थिर प्रक्षेपण वोल्टता U_out के लिए नीचे विनियमित होता है। डायोड D का भंजन वोल्टता एक विस्तृत विद्युत प्रवाह सीमा पर स्थिर होता है और U_out को लगभग स्थिर रखता है, भले ही निविष्ट वोल्टता एक विस्तृत श्रृंखला में उतार-चढ़ाव कर सकता है। इस तरह से संचालित होने पर डायोड की कम प्रतिबाधा के कारण, परिपथ के माध्यम से विद्युत प्रवाह को सीमित करने के लिए प्रतिरोध R का उपयोग किया जाता है।

इस सरल संदर्भ के मामले में, डायोड में बहने वाली धारा को ओम (Ohm) के नियम और प्रतिरोधक R के पार ज्ञात वोल्टता पात का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है,

$I_{\text{diode}}={\frac {U_{\text{in}}-U_{\text{out}}}{R}}$

R का मान दो शर्तों को पूरा करना चाहिए:

1. R इतना छोटा होना चाहिए कि D से होकर जाने वाली धारा D को विपरीत भंजन में रखे। इस विद्युत प्रवाह का मान D के लिए डेटा पत्रक में दिया गया है। उदाहरण के लिए, सामान्य BZX79C5V6 [9] उपकरण, एक 5.6 V 0.5 W जेनर डायोड, में अनुशंसित विपरीत विद्युत प्रवाह 5 mA है। यदि D के माध्यम से अपर्याप्त धारा मौजूद है, तो यूआउट अनियमित है और नाममात्र भंजन वोल्टता से कम है (यह वोल्टता-नियामक ट्यूबों से अलग है जहां प्रक्षेपण वोल्टता नाममात्र से अधिक है और यूn जितना ऊंचा हो सकता है)। आर की गणना करते समय, बाहरी भार के माध्यम से किसी भी वर्तमान के लिए भत्ता बनाया जाना चाहिए, इस आरेख में नहीं दिखाया गया है, जो पूरे यूआउट से जुड़ा हुआ है।
2. R इतना बड़ा होना चाहिए कि D से होकर गुजरने वाली धारा उपकरण को नष्ट न करे। यदि D के माध्यम से विद्युत प्रवाह आईD है, तो इसका भंजन वोल्टता VB और इसकी अधिकतम बिजली अपव्यय Pmax इस तरह से संबंधित है: $I_{D}V_{B}<P_{\text{max}}$।

इस संदर्भ परिपथ में डायोड के पार एक लोड रखा जा सकता है, और जब तक जेनर विपरीत भंजन में रहता है, डायोड लोड को एक स्थिर वोल्टता स्रोत प्रदान करता है। इस कॉन्फ़िगरेशन में जेनर डायोड को अक्सर अधिक उन्नत वोल्टता नियामक परिपथ के लिए स्थिर संदर्भ के रूप में उपयोग किया जाता है।

पार्श्वपथ रेगुलेटर सरल होते हैं, लेकिन सबसे खराब स्थिति के संचालन के दौरान अत्यधिक वोल्टता पात से ​​बचने के लिए गिट्टी प्रतिरोध की आवश्यकता काफी छोटी होती है (उच्च लोड विद्युत प्रवाह के साथ कम निविष्ट वोल्टता समवर्ती) डायोड में बहुत अधिक विद्युत प्रवाह प्रवाहित करता है। , उच्च मौन बिजली अपव्यय के साथ एक काफी बेकार नियामक के लिए, केवल छोटे भार के लिए उपयुक्त है।

इन उपकरणों का भी सामना करना पड़ता है, आम तौर पर प्रतिरोधान्तरित्र चरणों में आधार-उत्सर्जक संधि के साथ श्रृंखला में, जहां हिमस्खलन या जेनर बिंदु पर केंद्रित उपकरण की चुनिंदा पसंद का उपयोग प्रतिरोधान्तरित्र p-n संधि के क्षतिपूर्ति तापमान सह-कुशल संतुलन को पेश करने के लिए किया जा सकता है। . इस तरह के उपयोग का एक उदाहरण एक D सी त्रुटि एम्पलीफायर होगा जो एक विनियमित बिजली आपूर्ति परिपथ फीडबैक लूप सिस्टम में उपयोग किया जाता है।

क्षणिक वोल्टता कणिश्स को सीमित करने के लिए सर्ज रक्षक में जेनर डायोड का भी उपयोग किया जाता है।

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

वेवफॉर्म क्लिपर

File:WaveClipper1.png

File:WaveClipper2.png

Examples of a waveform clipper (V_in polarity is irrelevant)

श्रृंखला क्लिप में एक दूसरे का सामना करने वाले दो जेनर डायोड एक निविष्ट सिग्नल के दोनों हिस्सों को क्लिप करते हैं। वेवफॉर्म क्लिपर्स का उपयोग न केवल सिग्नल को फिर से आकार देने के लिए किया जा सकता है, बल्कि वोल्टता कणिश्स को बिजली आपूर्ति से जुड़े परिपथ को प्रभावित करने से रोकने के लिए भी किया जा सकता है।

वोल्टता शिफ्टर

File:VoltageShifter1.png

File:VoltageShifter2.png

Examples of a voltage shifter

वोल्टता शिफ्टर के रूप में कार्य करने के लिए एक प्रतिरोधी के साथ एक जेनर डायोड को एक परिपथ पर लागू किया जा सकता है। यह परिपथ प्रक्षेपण वोल्टता को जेनर डायोड के भंजन वोल्टता के बराबर मात्रा से कम करता है।

वोल्टता नियामक

File:VoltageRegulator.png

File:VoltageRegulator2.png

Examples of a voltage regulator (V_in + is in the top)

लोड पर लागू वोल्टता को विनियमित करने के लिए एक जेनर डायोड को वोल्टता रेगुलेटर परिपथ में लगाया जा सकता है, जैसे कि एक लीनियर रेगुलेटर में।

यह भी देखें

• पिछड़े डायोड
• पसंदीदा नंबरों की ई-सीरीज़
• क्षणिक वोल्टता 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