Diodo zener

 Características principales

Como se vio anteriormente al aumentar la tensión inversa en un diodo llega un momento en que la corriente comienza a crecer en forma abrupta. Esta variación de la corriente puede ser muy pronunciada, por ejemplo para un diodo de Si para un cierto valor de VD, digamos –20V, la corriente puede ser de-5A, en tanto que para VD = -20,1 puede saltar bruscamente a –2mA. La tensión de ruptura viene indicada por el valor VBR en las curvas del diodo dibujadas con anterioridad.

 viene indicada por el valor VBR en las curvas del diodo dibujadas con anterioridad. Este comportamiento puede ser debido dos efectos. En primer lugar, si VD aumenta lo suficiente, recordando que en polarización inversa el campo eléctrico en la juntura se ve reforzado, este puede ser tan elevado que tenga la fuerza suficiente como para arrancar a los electrones de sus enlaces covalentes. Este fenómeno se conoce como ruptura Zener.

Aunque la tensión externa aplicada pueda ser baja, por ejemplo 20V, el campo eléctrico en la juntura puede ser de varias decena de miles de volts por centímetro, puesto que toda la tensión aplicada caerá en la pequeña región de carga espacial, que puede tener una longitud, por ejemplo, de 0,00025cm o menos. Por lo tanto la intensidad del campo eléctrico será de 20V/0,00025cm = 80.000 V/cm.

El segundo mecanismo, y más común, es el llamado de ruptura por avalancha. Los portadores minoritarios producidos por la ruptura de enlaces covalentes en las regiones n y p llegan a la zona de carga espacial y son acelerados por el campo eléctrico. Cuando la tensión inversa llega a un valor crítico la velocidad de estos electrones es tal que la energía cinética que transportan puede producir, mediante choques con los átomos, rotura de enlaces, liberando nuevos portadores. Estos portadores, por ejemplo electrones, 'nacen' bajo un campo eléctrico muy intenso que los acelera y les confiere una elevada energía cinética. Este nuevo electrón puede producir otro choque con la consecuente nueva rotura de ligaduras. Se ve que de esta manera los portadores se empiezan a multiplicar rápidamente provocando un veloz incremento en la corriente inversa que circula por el diodo.

 El valor de la tensión de ruptura VBR se puede variar por construcción y en esta región se están produciendo siempre simultáneamente los dos fenómenos explicados. A pesar de que, dependiendo del valor de VBR, un mecanismo de ruptura será más importante que otro a la tensión de ruptura se la llama genéricamente tensión de Zener o VZ.

El diodo Zener, cuyo símbolo se muestra en la Fig. 15, es un diodo que está preparado para trabajar en la zona de ruptura, es decir con una tensión inversa VZ. Si bien la curva característica tiene la misma forma que la de un diodo común en la Fig. 16 se señalan algunos puntos de interés que presentan estas curvas. En particular: 

• VZ tensión de trabajo normal. 
• VZmmín valor de tensión por debajo del cual el diodo deja de estar en la zona de ruptura. 
• VZmáx valor máximo de tensión que se puede aplicar, por encima de éste el diodo se quema por exceso de potencia. 
• IZ corriente de trabajo normal. 
• IZmín corriente correspondiente a la tensión VZmmín. 
• IZmáx corriente correspondiente al valor de tensión VZmmáx. 
• rZ resistencia del diodo Zener en la zona de ruptura, es la inversa de la pendiente deltaI/deltaV es decir:

Ejemplo: Un diodo Zener tiene las siguientes características: 

Es decir que para una gran variación de corriente que circula por el diodo Zener se obtiene un cambio de tensión muy pequeña sobre el mismo. Debido a esta característica la aplicación más importante del diodo Zener es como referencia de tensión en reguladores de voltaje.

Aplicación del diodo Zener

En muchas aplicaciones se desea mantener la fuente de alimentación de un circuito electrónico lo más constante posible frente a variaciones de la fuente en si o frente a cambios de consumo. En la Fig. 17 se ilustra este caso. La tensión E de continua, como se verá más adelante, se deriva de la tensión alterna que suministra la empresa de energía eléctrica, Ri es la resistencia interna de la fuente E y RL es una resistencia que representa el consumo del sistema que se desea alimentar. RL recibe el nombre de resistencia de carga o carga.

Lo que se desea es mantener la tensión VDD lo más constante posible. Ahora bien ¿por qué habría de variar? La respuesta a esta pregunta tiene dos causas. Primero, como se mencionó la tensión E es derivada de la línea de alimentación externa, que no permanece constante a lo largo del tiempo, experimenta variaciones por ejemplo de  10%, variaciones que se traducen en cambios en el valor de E. Como se puede ver fácilmente, si RL permanece constante, los cambios en E se trasladan a VDD, que se desea mantener constante. En segundo lugar si E permanece constante y varía el consumo, representado por un cambio en el valor de RL, debido al valor no nulo de la resistencia interna Ri habrá cambios en VDD. En un circuito real se están produciendo simultáneamente estos dos efectos.

¿Cómo se hace entonces para hacer inmune a VDD frente a los mecanismos mencionados? La solución es colocar entre la fuente y la carga un circuito electrónico, denominado regulador de tensión, como se muestra en la Fig. 18. Los reguladores de tensión son circuitos de complejidad mediana y que invariablemente en alguna parte del mismo tendrán un diodo Zener, es más, el regulador más simple se puede construir con uno sólo de estos dispositivos como se muestra en la Fig. 19. Se emplea el diodo Zener debido a su capacidad de manejar grandes cambios de corriente con variaciones muy pequeña de tensión entre sus bornes.