Diode zener là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Diode zener là loại điốt bán dẫn làm việc ở chế độ phân cực ngược trên cùng điệp áp zener hoặc thác lở (breakdown) giúp làm ổn áp cho mạch điện. Để tìm hiểu sâu hơn về Diode zener là gì? Chúng có cấu tạo và hoạt động ra sao? Hãy cùng Mecsu khám phá trong bài viết dưới đây nhé.

#1 Diode zener là gì

Diode zener (Diode ổn áp) thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch ghim áp phân cực cho transistor hoạt động do có tính chất dẫn điện một chiều. Trong đó, mạch chỉnh lưu diode được tích hợp thành diode cầu.

>>> Dành cho anh em nào chưa biết:  Thuật ngữ Transistor là gì?  

Cấu tạo diode zener

Dòng điốt gồm 2 lớp bán dẫn P - N ghép với nhau và được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược. Khi phân cực thuận diode zener như diode thường, nhưng khi phân cực ngược sẽ ghim lại ở mức điện áp cố định bằng với giá trị ghi trên diode.

Tại đây, chất nền P và N khuếch tán với nhau và vùng tiếp giáp được phủ một lớp silicon dioxide (SiO2). Trong quá trình thiết kế, tất cả tổ hợp được mạ kim loại để tạo ra sự kết nối giữa hai cực âm và dương. Lớp SiO2 giúp ngăn ngừa sự nhiễm bẩn của các mối nối, chính vì vậy mà chúng được sử dụng trong việc thiết kế diode zener.

Các diode zener có cấu tạo và hoạt động giống nhau như một diode tín hiệu bình thường đi qua các dòng điện định mức. Tuy nhiên, nó lại khác là chặn dòng điện đi qua chính nó khi bị phân cực ngược.

Khi điện áp đạt tới giá trị nào đó, cathode tích cực hơn anode và diode zener sẽ hoạt động ngược trở lại. Nguyên nhân là do điện áp vượt quá mức điện áp định mức, gọi là “Sự cố Avalanche” xảy ra khi lớp suy giảm chất bán dẫn và khi dòng điện chạy qua điốt để hạn chế tăng áp.

Diode zener tăng đến giá trị cực đại khi có dòng điện chạy qua (giới hạn bởi điện trở nối tiếp) và khi đạt được, nó hoạt động ổn định trong phạm vi điện áp ngược. Khi trở nên ổn định, nó gọi là điện áp zener điện tử.

Đối với điốt zener, nó có thể dao động từ dưới 1 volt đến vài trăm volt. Tại điểm đó, điện áp zener cho dòng điện chạy qua diode giúp điều khiển chính xác (dung sai dưới 1%) trong giai đoạn pha tạp của cấu trúc bán dẫn điốt tạo cho diode điện áp đánh thủng zener cụ thể.

Ví dụ, 4.5V hoặc 7.5V thì điện áp đánh thủ trên đường cong IV có thể là một đường thẳng đứng

Nguyên lý hoạt động diode zener

Có thể xác định rõ được các zener diode có điện áp đánh thủng ngược để nó có thể bắt đầu dẫn dòng điện và hoạt động liên tục mà không bị hỏng khi ở chế độ phân cực ngược. Trong một phạm vi điện áp rộng, sự sụt giảm điện áp trên diode vẫn không đổi, một tính năng làm cho điốt zener phù hợp cho việc sử dụng trong điều chỉnh điện áp.

Khi ở chế độ phân cực thuận và có điện áp bật từ 0,3 đến 0,7 V, diode zener sẽ hoạt động giống với diode thông thường. Thế nhưng, khi ở chế độ đảo ngược thì dòng rò nhỏ có thể chảy.

Và khi điện áp ngược tăng lên đến điện áp đánh thủng được xác định trước (Vz), dòng điện bắt đầu chạy qua diode. Dòng điện tăng ở mức tối đa sẽ được xác định bởi điện trở nối tiếp. Sau đó, nó ổn định và không đổi trong phạm vị rộng của điện áp ứng dụng.

Thông số kỹ thuật diode zener

Điốt zener sẽ khác nhau về thông số kỹ thuật như điện áp, tản điện, dòng ngược tối đa và hình dáng. Bao gồm:

• Điện áp Vz: Dùng để chỉ điện áp sử cố đảo ngược 2.4V đến 200V, thậm chí có thể lên tới 1kV trong khi mức tối đa cho thiết bị SMD (thiết bị gắn trên bề mặt) là khoảng 47V.
• Dòng điện (tối đa): Định mức tối đa ở điện áp zener là 200uA đến 200A.
• Dòng điện (tối thiểu): Định mức tối thiểu ở điện áp zener là 5mA và 10mA.

• Đánh giá công suất: Mức tối đa của diode zener có công thức điện áp x dòng điện. Có giá trị tiêu biểu là 400 mW - 500mW - 1 W - 5W, đối với bề mặt được gắn là 200mV - 350mV - 500mV và điển hình là 1W.
• Dung sai điện áp: Mức thông thường là ± 5%.
• Ổn định nhiệt độ: Điốt có mức ổn định tốt nhất là khoảng 5V.

• Hình dáng: có thiết bị riêng bị (có chì và giá treo bề mặt) hoặc trong các mạch tích hợp.
• Điện trở zener (Rz): được thể hiện từ các đặc tính IV.

Trên đây là một số thông tin kỹ thuật của điốt ổn áp thường hay được sử dụng.

#2 Diode zener có công dụng gì?

Diode zener được sử dụng phổ biến trong nhiều mạch điều chỉnh điện áp và các ứng dụng chuyển mạch, mạch clipper như:

• Bộ điều chỉnh điện áp: Điện áp của tải bằng điện áp đánh thủng của diode, điện trở nối tiếp sẽ giới hạn dòng điện qua diode và giảm điốt thừa khi diode dẫn. Khi đó, điện áp đầu ra sẽ ổn định hơn.
• Diode ổn áp trong mạch bảo vệ quá áp: Nếu đầu vào tăng lên có giá trị cao hơn điện áp đánh thủng của zener, dòng điện sẽ chạy và tạo ra sụt áp trên điện trở, làm kích hoạt SCR và tạo ra mạch ngắn xuống đất. Mạch mở cầu chì và ngắt kết nối tải với nguồn cấp.A
• Mạch cắt sử dụng điốt ổn áp: Sử dụng để sửa đổi và định hình các mạch cắt dạng sóng AC. Nó có tác dụng giới hạn hoặc cắt bỏ các phần của một hoặc cả 2 nửa chu kỳ của dạng sóng AC để định hình hoặc bảo vệ.

Diode zener không chỉ đáp ứng được nhu cầu sử dụng mà nó còn giúp bạn để việc ứng dụng trở nên dễ dàng hơn.

>>> Đọc thêm:

• Breadboard là gì? Cấu tạo và cách sử dụng breadboard
• Tia laser là gì? Cấu tạo và ứng dụng của laser

Sau những thông tin về diode zener là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và một số ứng dụng được Mecsu chia sẻ trên đây. Hy vọng, thông tin trên có thể giúp các anh em hoàn thành tốt hơn trong công việc nhé.