Re: diodi zener

From: Tetis <ljetog_at_yahoo.it>
Date: Thu, 28 Apr 2011 13:30:50 +0200

Nel suo scritto precedente, Franco ha sostenuto :
> On 3/29/2011 7:24, Tetis wrote:

Anzitutto grazie per la paziente ed esaustiva risposta. Rimangono delle
perplessit� residue che derivano dal confronto con le scarne
spiegazione della mia fonte originale sugli Zener che � il libro di
Millman.

Millman parla di Zener nel contesto dei diodi a valanga o breakdown.
Spiega che il meccanismo della valanga prevede una collisione degli
elettroni con i nuclei atomici, mentre il meccanismo Zener prevede che
gli elettroni vengano messi in conduzione dal campo elettrico senza che
si abbiano tuttavia collisioni con il nucleo. Introduce la nozione di
sensitivit� alla temperatura: positiva nel diodo a valanga negativa nel
diodo Zener ma non spiega il perch�. Parla anche di resistenza dinamica
e fornisce dei criteri sulla stabilit�, ma non accenna alla precisione
del potenziale di riferimento.


> Il funzionamento degli zener comporta riscaldamento a causa della potenza
> dissipata, ma se questa potenza e` limitata dal circuito entro i limiti
> sopportabili dal dispositivo, lo zener non si danneggia.

mi sembra di capire che l'eventuale danneggiamento sia essenzialmente
dovuto alla temperatura cio� al meccanismo di diffusione ionica, ma non
sono sicurissimo, perch� non mi � del tutto chiaro se la rottura dei
legami covalenti di cui parla Millman � un processo del tutto
reversibile come immagino che sia la promozione di un elettrone in
banda insatura, oppure pu� comportare una modifica strutturale
irreversibile degli orbitali.

> Quello che va sotto il nome di diodo zener in realta` puo` essere uno di
> due dispositivi diversi, il diodo zener vero e proprio oppure il diodo a
> valanga. Sono due fenomeni diversi, con caratteristiche diverse.

Esatto Millman dice che il nome Zener � stato usato per estensione
anche con riferimeno a diodi dominati dall'effetto valanga.

> Nel caso di effetto zener, che si verifica in giunzioni fortemente drogate,
> la larghezza della barriera dipende dalla temperatura, quando questa
> aumenta la barriera si abbassa e la tensione di zener diminuisce.

Il maggiore drogaggio comporta un minore potenziale di estrazione
(volendo si pu� considerare un modello aperiodico di Kroenig Penney per
i cosiddetti stati di gap in termini intuitivi la maggiore densit� di
siti droganti con eccesso di elettroni/lacune comporta una maggiore
probabilit� di tunneling fra due di questi siti anche da parte degli
elettroni/lacune residuali che cio� non hanno gi� raggiunto la barriera
di drift, quando si accende un campo la presenza di tunneling verso
siti vicini si pu� risolvere nell'accesso dell'elettrone residuo agli
stati continui ed infine in un superamento della barriera di drift). Mi
sembra di capire che quello che qui chiamiamo tunneling coincide
essenzialmente con quella che Millman chiama "rottura di un legame
covalente" ma ti chiedo conferma perch� non sono sicurissimo.

> Il tunnelling si verifica per giunzioni fortemente drogate, ed e` il
> meccanismo prevalente per componenti con tensione di zener al di sotto di
> 5V circa.
>
> Per drogaggi piu` bassi, la barriera si allarga e non si ha piu` effetto
> tunnel.

Qui in seguito ti sei corretto dicendo che intendevi che la barriera si
alza, ma in effetti non � forse sbagliato dire che la barriera fra i
siti si � allargata comportando una diminuzione della probabilit� di
tunneling inter-sito ed un aumento del potenziale di soglia per il
tunneling, ovvero per la rottura di legami covalenti. La novit� � per�
che adesso gli elettroni acquistano maggiore energia e possono
avvicinarsi maggiormente agli ioni causando appunto la creazione di
coppie.

> In questi dispositivi si ha invece la moltiplicazione a valanga, in cui un
> portatore libero nella zona svuotata, sotto effetto del campo, accelera e
> se riesce ad acquisire una energia sufficiente nel suo cammino libero
> medio, quando interagisce con un atomo di silicio lo ionizza, generando una
> coppia.
>
> Se a temperatura aumenta i portatori hanno maggiori probabilita` di
> interagire con i fononi ottici, e non riescono a raggiugere l'energia
> necessaria alla ionizzazione. Nei diodi che lavorano a valanga il
> coefficiente di temperatura e` positivo: quando aumenta la temperatura
> serve piu` tensione e quindi campo perche' i portatori arrivino arrivare
> all'energia di ionizzazione.

Infatti con l'aumento della temperatura aumenta la popolazione dei
fononi ottici, ovvero, in termini intuitivi aumenta l'esposizione degli
ioni allo scattering infatti i fononi ottici sono associati con la
formazione di dipoli elettrici localizzati, che d� conto delle parole
di Millman. Aumentando per� la sezione d'urto diminuisce il cammino
libero medio degli elettroni e quindi la probabilit� di estrazione per
trasferimento di impulso intrabanda mediato dai fononi ottici, cosa che
Millman non sta a spiegare.


> Ci sono ancora altri due fenomeni che possono in casi particolari essere
> coinvolti nella conduzione inversa, e sono l'effetto termoelettrico e
> l'instabilita` in temperatura, ma questi si verificano solo in casi
> particoari (giunzioni metallo/semiconduttore e materiali con banda proibita
> molto piccola, tipo germanio).

Cio� mi pare di intendere che a causa degli effetti locali di
riscaldamento pu� risultare una corrente diffusionale associata al
gradiente di temperatura, se questa corrente si ha in corrispondenza di
una giunzione l'effetto � una variazione netta apprezzabile della
corrente totale.

> Gli zener comunque non sono un granche' come riferimenti di tensione (con
> qualche eccezione) a causa di tolleranza, deriva e rumore. Sono usati come
> limitatori di tensione o quando la precisione non e` importante.

di questo Millman non dice nulla di preciso per� in effetti descrive
l'uso di amplificatori integrati per lo scopo di ottenere erogatori di
tensione regolati. Diceva pure che questi erano ormai convenienti da
produrre.

> Tutte le giunzioni in polarizzazione inversa vanno in valanga/zener. Se
> l'energia e la potenza sono limitate non si rompono, mentre anche uno zener
> in cui si superino i limiti di dissipazione si guasta andando in
> cortocircuito (e in alcuni casi e` previsto che faccia proprio quello).
>
> C'e` un caso in cui una giunzione in valanga (con potenza limitata) rovina
> comunque le caratteristiche elettriche della giunzione, pur senza romperla.
> Se si manda in valanga la giunzione base emettitore di un transistore
> bipolare, il guadagno di corrente del transistore diminuisce e il suo
> rumore aumenta.

Il meccanismo di danneggiamento � la diffusione ionica dovuta alla
temperatura e/o la diffusione � incrementata dalla rottura dei legami?

> Una buona descrizione della valaga (e un po' meno del tunnelling negli
> zener) la trovi su Sze-Ng, Physics of Semiconductor Devices.
Received on Thu Apr 28 2011 - 13:30:50 CEST