Un piccolo trattatello sugli Zener, "ad usum delphini"...
> 1) Che particolarita' ha un diodo Zener, cio�
> se anche un comune diodo, per esempio al silicio, in polarizzazione
> inversa, raggiunta la tensione di breakdown, mantiene una tensione
> praticamente costante al variare della corrente, perche' si utilizzano
> proprio i diodi Zener nei circuiti stabilizzatori di tensione?
Nel comune diodo PN in diretta c'e' una dipendenza tensione-corrente
abbastanza marcata, quindi non e' molto buono come stabilizzatore
proprio perche' la tensione varierebbe in funzione della corrente di carico
(anche se in prima approssimazione questa dipendenza e' logaritmica e
quindi relativamente bassa). Tieni conto che in certe applicazioni quando
si vuole un riferimento di tensione (lo zener e', praticamente, usato piu'
come riferimento che come stabilizzatore) lo si vuole con una precisione
molto stretta e con una stabilita' elevata, tanto e' vero che in certe
applicazioni nemmeno lo zener va bene, come ti diro' piu' avanti.
Figurati quindi una giunzione PN normale.
Allora si sfrutta un altro fenomeno (anzi, altri due) che hanno luogo
in una giunzione polarizzata inversamente. Uno e' l'effetto Zener
propriamente detto, mentre l'altro e' un effetto chiamato "effetto
valanga" ("avalanche multiplication"). Essi hanno luogo per tensioni
differenti (lo Zener fino a circa 5-6 volt, mentre il valanga per
tensioni generalmente superiori, anche se questi margini dipendono
dalle caratteristiche della giunzione: principalmente geometria e
livelli di drogaggio) e possono in certi casi avvenire entrambi.
In ogni caso gli ingegneri chiamano il diodo tradizionalmente sempre
"Zener" anche quando il meccanismo dominante di conduzione e'
quello di valanga (gli ingegneri piu' bravi pero' distinguono tra "Zener
diodes" e "avalanche diodes").
L'effetto Zener e' un effetto tunnel degli elettroni attraverso una
zona svuotata sottile. A partire da una certa tensione (tensione
di Zener - 5V circa o anche meno) gli elettroni possono attraversare
la barriera "liberamente". In questo caso la corrente non e' piu'
controllata dalla tensione, che si blocca sul valore di Zener. Questo
meccanismo e' stato scoperto in effeti da Zener intorno agli anni
'30 (se ti interessa da qualche parte ho anche il riferimento all'
articolo originale). Comunque la caratteristica I-V per gli Zener
propriamente detti non e' molto ripida e questo e' tanto piu' vero
quanto piu' la tensione di Zener e' bassa. Quindi gli Zener sotto
ai 5V non trovano molta applicazione.
L'effetto valanga invece avviene per tensioni piu' elevate (almeno
da 6 o 7 volt in su) ed e' un effetto di ionizzazione per impatto
(mala traduzione del termine inglese "impact ionization"), cioe'
i portatori, accelerati da un campo elettrico intenso (come
quello che si instaura in una zona svuotata) acquistano sufficiente
energia per creare nuovi portatori in caso i collisione con gli atomi
del reticolo. Questi portatori creati a loro volta acquistano energia
e possono creare ancora nuovi portatori in caso di impatto etc...
Quindi capisci che puoi avere corrente "a volonta'" per un valore
dato di tensione (il fenomeno poi entro certe condizioni si autolimita,
ma se non si prendono accorgimenti progettuali, in genere e' distruttivo
e spesso voluto - vedi ad esempio l'utilizzo dei cosiddetti "Zener zap"
come dispositivi di programmazione dei dispositivi tipo ROM/PROM
in alternativa alla tecnica "fuse" o "anti-fuse").
Questi sono i due meccanismi di funzionamento dei diodi Zener.
Oltre alla differente tensione un altro modo per riconoscere quale
meccanismo predonima e' dal coefficiente di temperatura. Negli
Zener e' generalmente negativo, (cioe' la tensione di zener diminuisce
quando la tensione aumenta) mentre negli "avalanche" e' positivo.
Inoltre il valore assoluto di tale coefficiente e' diverso (qualche mV/�C
per gli zener contro qualche decina di mV/�C per i valanga).
Hai visto perche' gli Zener sono buoni come riferimenti di tensione
(in pratica ti svincola il valore della corrente, che devi limitare tu
con un componente esterno, dal valore della tensione che rimane
grosso modo fisso). Ora vediamo perche' gli Zener non sono buoni
come riferimento di tensione. Gia' il fatto che abbiano un coefficiente
di temperatura (anche relativamente elevato nel caso dei diodi valanga)
non gioca a loro favore. Tanto per darti un esempio reale: un recente
progetto ha richiesto un regolatore a bassa tensione che fornisse una
tensione min 600mV / max 630mV in un range di temperatura
da -40 a +85 �C (che fa circa 0.24 mV/�C). Nessuno Zener ti potra'
mai dare queste prestazioni. Per non parlare poi della stabilita' rispetto
alle variazioni di tensione in ingresso che e' ancora un altro problema
che si addiziona (quindi la stabilita' in temperatura deve essere ancora
piu' bassa di quella che ti ho dato)...
Oltre a questo evidente svantaggio c'e' un altro fenomeno fisico
che rende gli Zener non adatti a riferimenti di tensioni molto spinti:
un fenomeno noto col nome di "Zener walkout", il cui effetto risulta
in uno spostamento del riferimento di tensione. Il fenomeno e' semplice:
il meccanismo per impatto che ti dicevo prima genera dei portatori
ad alta energia ("hot carriers" - portatori caldi). Ora generalmente il
meccanismo di valanga avviene principalmente alla superficie del chip,
vicino all'ossido. Questo perche' in quel punto la giunzione e' maggiormente
drogata (piu' vai verso il basso e piu' la concentrazione e' minore
per effetto della diffusione) e quindi la zona svuotata, in inversione, e'
piu' stretta e il campo piu' elevato di conseguenza. Questo fa si' che
alcuni portatori caldi vengano intrappolati nell'ossido. Mano a mano
che questa carica (generalmente e' positiva nelle giunzioni base-emettitore)
si accumula nell'ossido, forma una specie di scudo alla tensione applicata
e come risultato si ha un allargamento della zona svuotata. Quindi bisogna
applicare una tensione piu' elevata per avere lo stesso effetto. Questo
graduale accumulo di carica fa spostare la tensione di Zener che non
risultera' piu' stabile e di difficile controllo. (questo e' lo stesso
identico
problema del gate-voltage-shifting che si ha negli attuali MOS a canale
corto).
Lo spostamento puo' anche essere di qualche centinaio di mV!
Alcuni rimedi possono essere quello di usare dei materiali di barriera,
dei contatti di tipo "silicided", delle strutture LDD come quelle usate
per risolvere lo stesso problema in tecnologia CMOS, oppure utilizzare
dei "buried zener" (vedi piu' avanti), ma a quanto ne so, tutti questi
rimedi non risolvono in pieno il problema.
Un terzo svantaggio, molto piu' banalmente, e' che gli attuali dispositivi
low-voltage hanno bisogno di riferimenti di tensione molto bassi, e lo
zener male si presta perche' la tensione di riferimento e' tipicamente
dell'ordine di qualche volt, come dicevo sopra.
> 2) Come � fatto fisicamente un diodo Zener?
Il diodo Zener e' un diodo PN a tutti gli effetti (prova a
polarizzarlo in diretta se ne hai uno sottomano), solo che viene
ottimizzato in maniera che l'effetto Zener o valanga siano favoriti
(nei diodi PN normali si cerca invece di evitare questi effetti
perche' possono portare a rottura).
In microelettronica un diodo Zener non e' sempre disponibile
in tutti i processi. Praticamente e' bandito da qualsiasi processo
CMOS a mia conoscenza, a meno che non esista come opzione
e anche in quel caso le caratteristiche non sono mai molto buone.
Tieni conto che in CMOS si riesce a fare degli ottimi bandgap-reference,
con delle performance molto migliori di uno Zener (che, come ti
dicevo sopra ha qualche problemino di stabilita') il che rende
praticamente inutile l'utilizzo degli Zener in tecnologia CMOS.
In tecnologia bipolare invece gli Zener sono generalmente disponibili
e sono ricavati dalla giunzione base-emettitore di un transistor bipolare.
Il meccanismo e' sempre di tipo valanga (addirittura in tecnologie avanzate
come la BiCMOS si hanno a disposizione degli emitter lightly doped
che permettono la realizzazione di Zener a 10V.
Per fare uno Zener si usa lo stesso layout di un NPN bipolare
(se non lo conosci lo trovi alla sezione 2.5.3 di questo link)
http://www.rulabinsky.com/cavd/text/chap02-5.html
L'Emitter viene usato da catodo e la Base da anodo. Il
Collector, connesso al silicio N- epitassiale (quello che nel
layout in figura e' chiamato "isolation", ma piu' comunemente
e' noto come "tank"), viene connesso all'Emitter, in modo da
formare uno schema cosi' (usa dei font fissi)
catodo
|
+-----+-----+
| |
| |
| C E |
+--- >--+
\___/
B |
|
anodo
Il motivo per connettere l'Emitter al tank (Collector)
e' per evitare delle correnti di fuga dovuti ad un PNP
parassita di substrato (il disegno e' un po' complicato da
fare con gli ascii). Comunque non tutti lo fanno.
Spesso l'Emitter e' di forma ovale o circolare negli Zener per
evitare zone di intenso campo elettrico negli angoli (questo
permette di avere un controllo migliore sulla variazione della
tensione di breakdown). Una variante di questo layout fa
a meno del contatto di Collector, connettendo la Base
direttamente al substrato attraverso lo strato N epitassiale
che rimane floating. Il diodo risultante e' piu' compatto
perche' non ha bisogno del tank (isolation), ne' del contatto
di collettore, ma questa soluzione ha alcuni inconvenienti
(principalmente rumore, accoppiamento, depolarizzazione
etc..) quindi non tutti i progettisti la adottano.
Altra soluzione e' quella sotto il nome di "Buried Zener",
pero' la struttura e' troppo complicata per disegnarla qui.
In ogni caso l'idea e' quella di utilizzare susbstrato p come
anodo e la zona epi-N cone catodo, attraverso il contatto
di emitter. In questo caso il diodo zener non si trova in
superficie come ngli altri casi (cosa che dovrebbe migliorare
un po' lo Zener walkout tra le altre cose). Le geometrie sono
in genere circolari ed esistono parecchie varianti (tra cui
alcune che fanno uso di alcune maschere dedicate).
Comunque questi diodi hanno anche loro alcuni inconvenienti
(praticamenti tutti quelli legati al fatto di usare il substrato
come terminale, quindi: niente isolamento, accoppiamento con
altri dispositivi etc...).
Spero sia sufficiente come spiegazione sommaria.
> Grazie.
pas de quoi... Adesso sei un po' meno ignorante.
--
maitre Aliboron
Received on Mon Sep 26 2005 - 12:35:35 CEST