ثنائي زينر

إن ثنائي زينر هو نوع من الثنائيات المصممة لاستغلال تأثير زينر للتأثير على التيار الكهربائي ليتدفق عكس الاتجاه الطبيعي من المصعد إلى المهبط ، عندما يتجاوز الجهد عبر أطرافه عتبة مميزة معينة، وهي جهد زينر .

تُصنّع ثنائيات زينر بفولتيات زينر متنوعة، بما في ذلك الأجهزة ذات الفولتيات المتغيرة. تتميز بعض الأنواع بوصلة p-n حادة وعالية التشويب عند فولتية زينر منخفضة، وفي هذه الحالة يحدث التوصيل العكسي نتيجةً لنفق الكم الإلكتروني في المسافة القصيرة بين منطقتي p و n. أما الثنائيات ذات فولتية زينر الأعلى، فتتميز بوصلات أقل تشويبًا، مما يجعل نمط عملها يعتمد على انهيار الانهيار الجليدي . يتواجد كلا نوعي الانهيار في ثنائيات زينر، حيث يسود تأثير زينر عند الفولتيات المنخفضة، بينما يسود انهيار الانهيار الجليدي عند الفولتيات العالية.

تُستخدم ثنائيات زينر لتوليد خطوط تغذية مستقرة منخفضة الطاقة من الفولتيات العالية، ولتوفير فولتيات مرجعية للدوائر، وخاصة مصادر الطاقة المستقرة. كما تُستخدم لحماية الدوائر من الفولتية الزائدة ، وخاصة التفريغ الكهروستاتيكي .

سُمّي الجهاز تيمناً بالفيزيائي الأمريكي كلارنس زينر ، الذي وصف لأول مرة تأثير زينر عام 1934 في دراساته النظرية حول انهيار خصائص العوازل الكهربائية. لاحقاً، أدى عمله إلى تطبيق مختبرات بيل لهذا التأثير في شكل جهاز إلكتروني. ^{[ 1 ]}

يسمح الصمام الثنائي التقليدي ذو الحالة الصلبة بمرور تيار كبير إذا تم توصيله عكسيًا بجهد أعلى من جهد انهياره العكسي. عند تجاوز جهد الانهيار العكسي، يمرر الصمام الثنائي التقليدي تيارًا عاليًا نتيجةً لانهيار الانهيار الجليدي. ما لم يتم تقييد هذا التيار بدوائر خارجية، فقد يتلف الصمام الثنائي بشكل دائم بسبب ارتفاع درجة الحرارة في المناطق الصغيرة (الموضعية) من وصلة أشباه الموصلات حيث يحدث توصيل انهيار الانهيار الجليدي. يُظهر صمام زينر الثنائي خصائص مشابهة تقريبًا، إلا أنه مصمم خصيصًا ليكون له جهد انهيار منخفض، وهو جهد زينر . على عكس الصمام الثنائي التقليدي، يُظهر صمام زينر المنحاز عكسيًا انهيارًا مُتحكمًا فيه، ويسمح للتيار بالحفاظ على الجهد عبر الصمام قريبًا من جهد انهيار زينر. على سبيل المثال، يُظهر صمام ثنائي بجهد انهيار زينر يبلغ 3.2  فولت انخفاضًا في الجهد يقارب 3.2  فولت عبر نطاق واسع من التيارات العكسية. لذلك، يُعدّ ثنائي زينر مناسبًا تمامًا لتطبيقات مثل توليد جهد مرجعي (على سبيل المثال لمرحلة تضخيم )، أو كمثبت جهد لتطبيقات التيار المنخفض. ^{[ 2 ]}

آلية أخرى تُنتج تأثيرًا مشابهًا هي تأثير الانهيار الجليدي كما في ثنائي الانهيار الجليدي . ^{[ 2 ]} في الواقع، يُصنع كلا النوعين من الثنائيات بطرق متشابهة، وكلا التأثيرين موجودان في الثنائيات من هذا النوع. في ثنائيات السيليكون حتى جهد 5.6  فولت تقريبًا، يكون تأثير زينر هو التأثير السائد ويُظهر معامل درجة حرارة سالبًا ملحوظًا . فوق 5.6  فولت، يسود تأثير الانهيار الجليدي ويُظهر معامل درجة حرارة موجبًا. ^{[ 3 ]}

في ثنائي 5.6  فولت، يتزامن التأثيران، وتكاد معاملات درجة حرارتهما تلغي بعضها بعضًا، مما يجعل هذا الثنائي  مفيدًا في التطبيقات الحساسة لدرجة الحرارة. وثمة بديل يُستخدم لمراجع الجهد التي تتطلب استقرارًا عاليًا على مدى فترات طويلة، وهو استخدام ثنائي زينر بمعامل درجة حرارة +2  ملي فولت/درجة مئوية (جهد انهيار 6.2-6.3  فولت) موصول على التوالي مع ثنائي سيليكون منحاز أماميًا (أو وصلة ترانزستور B-E) مصنّع على نفس الشريحة. ^{[ 4 ]} يتميز الثنائي المنحاز أماميًا بمعامل درجة حرارة -2  ملي فولت/درجة مئوية، مما يؤدي إلى إلغاء معاملات درجة الحرارة، ليصبح معامل درجة الحرارة الكلي قريبًا من الصفر.

ومن الجدير بالذكر أيضًا أن معامل درجة حرارة  ثنائي زينر 4.7 فولت قريب من معامل درجة حرارة وصلة الباعث-القاعدة لترانزستور السيليكون عند حوالي -2  ملي فولت/درجة مئوية، لذلك في دائرة تنظيم بسيطة حيث  يقوم ثنائي 4.7 فولت بضبط الجهد عند قاعدة ترانزستور NPN (أي أن معاملاتهم تعمل بالتوازي)، سيكون الباعث عند حوالي 4  فولت ومستقرًا تمامًا مع درجة الحرارة.

أنتجت التصاميم الحديثة أجهزة ذات جهد أقل من 5.6  فولت بمعاملات حرارية ضئيلة . أما الأجهزة ذات الجهد الأعلى، فلها معاملات حرارية تتناسب تقريبًا مع مقدار تجاوز جهد الانهيار لـ 5 فولت. وبالتالي، فإن معامل ثنائي 75 فولت يبلغ حوالي عشرة أضعاف معامل ثنائي 12 فولت.   

عادة ما يتم تسويق ثنائيات زينر وثنائيات الانهيار، بغض النظر عن جهد الانهيار، تحت المصطلح الشامل "ثنائي زينر".

عند جهد أقل من 5.6  فولت، حيث يهيمن تأثير زينر، يكون منحنى التيار-الجهد بالقرب من نقطة الانهيار أكثر استدارة، مما يستدعي مزيدًا من الدقة في اختيار ظروف التحيز. أما منحنى التيار-الجهد لزينر عند جهد أعلى من 5.6  فولت (حيث يهيمن تأثير الانهيار الجليدي)، فيكون أكثر دقة عند نقطة الانهيار.

يعتمد عمل ثنائي زينر على التشويب العالي لوصلته من النوع p-n . منطقة الاستنزاف المتكونة في الثنائي رقيقة جدًا (أقل من  1  ميكرومتر)، وبالتالي يكون المجال الكهربائي عاليًا جدًا (حوالي 500  كيلو فولت/متر) حتى مع جهد انحياز عكسي صغير يبلغ حوالي 5  فولت، مما يسمح للإلكترونات بالانتقال عبر النفق الكمي من نطاق التكافؤ للمادة من النوع p إلى نطاق التوصيل للمادة من النوع n.

على المستوى الذري، يتوافق هذا النفق الكمومي مع انتقال إلكترونات نطاق التكافؤ إلى حالات نطاق التوصيل الفارغة، نتيجةً لانخفاض الحاجز بين هذين النطاقين والمجالات الكهربائية العالية الناتجة عن مستويات التشويب العالية على كلا الجانبين. ^{[ 3 ]} يمكن التحكم بدقة عالية في جهد الانهيار من خلال عملية التشويب. يؤدي إضافة الشوائب، أو التشويب، إلى تغيير سلوك مادة أشباه الموصلات في الثنائي. في حالة ثنائيات زينر، يُهيئ هذا التشويب العالي بيئةً تسمح للثنائي بالعمل في منطقة الانهيار. بينما تتوفر هوامش خطأ تصل إلى 0.07%، فإن هوامش الخطأ الشائعة تتراوح بين 5% و10%. يتراوح جهد الانهيار لثنائيات زينر الشائعة الاستخدام بين 1.2  فولت و200  فولت.

بالنسبة للثنائيات ذات التطعيم الخفيف، يهيمن تأثير الانهيار الجليدي على الانهيار بدلاً من تأثير زينر. ونتيجة لذلك، يكون جهد الانهيار أعلى (أكثر من 5.6  فولت) لهذه الأجهزة. ^{[ 5 ]}

زينر تحت السطح

ثنائي زينر تحت السطحي، أو ما يُسمى أيضًا بثنائي زينر المدفون ، هو جهاز مشابه لثنائي زينر السطحي، إلا أن التشويب والتصميم فيه يُتيحان وجود منطقة الانهيار في عمق أكبر داخل البنية، عادةً على بُعد عدة ميكرومترات أسفل طبقة الأكسيد. تفقد حاملات الشحنة الساخنة طاقتها نتيجة تصادمها مع شبكة أشباه الموصلات قبل وصولها إلى طبقة الأكسيد، ولا يُمكن احتجازها هناك. وبالتالي، لا تحدث ظاهرة خروج زينر هنا، ويتمتع ثنائي زينر المدفون بجهد ثابت طوال فترة عمله. يبلغ جهد انهيار معظم ثنائيات زينر المدفونة 5-7 فولت. وتُستخدم عدة هياكل وصلات مختلفة. ^{[ 7 ]}

تُستخدم ثنائيات زينر على نطاق واسع كمرجع للجهد وكمنظمات جهد توازي لتنظيم الجهد عبر الدوائر الصغيرة. عند توصيلها بالتوازي مع مصدر جهد متغير بحيث تكون منحازة عكسيًا، تُصبح ثنائية زينر موصلة عندما يصل الجهد إلى جهد الانهيار العكسي للثنائية. ومنذ تلك اللحظة، تحافظ المعاوقة المنخفضة للثنائية على الجهد عبرها عند تلك القيمة. ^{[ 8 ]}

في هذه الدائرة، يتم تنظيم جهد الدخل ( U _in) (المُشار إليه بعلامة +) باستخدام مُنظِّم جهد نموذجي، وصولاً إلى جهد خرج ثابت (U _{_out)} . يتميز جهد انهيار الثنائي D بثباته ضمن نطاق تيار واسع، مما يُبقي U _{_out} ثابتًا تقريبًا حتى مع تقلب جهد الدخل ضمن نطاق واسع. ونظرًا لانخفاض مُعاوقة الثنائي عند تشغيله بهذه الطريقة، يُستخدم المُقاوم R للحد من التيار المار في الدائرة.

في حالة هذا المرجع البسيط، يتم تحديد التيار المتدفق في الصمام الثنائي باستخدام قانون أوم وانخفاض الجهد المعروف عبر المقاوم R ؛

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

يجب أن تستوفي قيمة R شرطين:

1. يجب أن تكون قيمة المقاومة R صغيرة بما يكفي لضمان استمرار التيار المار عبر الصمام الثنائي D في حالة انهيار عكسي. تُحدد قيمة هذا التيار في ورقة بيانات الصمام الثنائي D. على سبيل المثال، يبلغ التيار العكسي الموصى به للصمام الثنائي BZX79C5V6 ^{[ 9 ]} ، وهو صمام ثنائي زينر بقدرة 0.5 واط وجهد  5.6 فولت ، 5 مللي أمبير. في حال عدم كفاية التيار المار عبر الصمام الثنائي D، يصبح _{جهد الخرج} Uout غير منظم وأقل من جهد الانهيار الاسمي (يختلف هذا عن صمامات تنظيم الجهد حيث يكون جهد الخرج أعلى من الجهد الاسمي وقد يصل إلى جهد الدخل _Uin ) . عند حساب قيمة R ، يجب مراعاة أي تيار يمر عبر الحمل الخارجي، غير الموضح في هذا الرسم التخطيطي، والمتصل عبر Uout _.  
2. يجب أن تكون قيمة R كبيرة بما يكفي لضمان عدم تلف الجهاز بسبب مرور التيار عبر D. إذا كان التيار المار عبر D هو I_{_D} ، فإن جهد انهياره V_{_B} وأقصى قدرة تبديد له P _{_max} يرتبطان على النحو التالي:${\displaystyle I_{D}V_{B}<P_{\text{max}}}$.

يمكن توصيل حمل عبر الصمام الثنائي في دائرة المرجع هذه، وطالما بقي صمام زينر في حالة انهيار عكسي، فإنه يوفر مصدر جهد مستقر للحمل. تُستخدم صمامات زينر في هذا التكوين غالبًا كمرجع مستقر لدوائر تنظيم الجهد الأكثر تطورًا.

منظمات التوازي بسيطة، لكن متطلبات أن تكون مقاومة الكبح صغيرة بما يكفي لتجنب انخفاض الجهد المفرط أثناء أسوأ حالات التشغيل (جهد دخل منخفض متزامن مع تيار حمل عالٍ) تميل إلى ترك الكثير من التيار يتدفق في الصمام الثنائي في معظم الأوقات، مما يجعل المنظم مهدرًا إلى حد ما مع تبديد طاقة سكون عالي، وهو مناسب فقط للأحمال الصغيرة.

تُستخدم هذه الأجهزة أيضًا، عادةً على التوالي مع وصلة القاعدة-الباعث، في مراحل الترانزستور حيث يمكن استخدام اختيار جهاز مُتمركز حول نقطة الانهيار أو نقطة زينر لإدخال موازنة معامل درجة الحرارة التعويضية لوصلة الترانزستور p-n . ومن الأمثلة على هذا النوع من الاستخدام مُضخِّم خطأ التيار المستمر المُستخدم في نظام حلقة التغذية الراجعة لدائرة إمداد الطاقة المُنظَّمة .

تُستخدم ثنائيات زينر أيضًا في أجهزة الحماية من زيادة التيار للحد من ارتفاعات الجهد العابرة.

أداة قص الموجة

أمثلة على قاطع شكل الموجة ( لا يهم قطبية الجهد _{V )}

تقوم ثنائيات زينر متقابلة موصولة على التوالي بتقطيع نصفي إشارة الدخل. ويمكن استخدام دوائر تقطيع الموجة ليس فقط لإعادة تشكيل الإشارة، بل أيضاً لمنع ارتفاعات الجهد المفاجئة من التأثير على الدوائر المتصلة بمصدر الطاقة. ^{[ 11 ]}

محول الجهد

أمثلة على محول الجهد

يمكن استخدام ثنائي زينر في دائرة كهربائية مزودة بمقاومة ليعمل كمُحوِّل للجهد. تعمل هذه الدائرة على خفض جهد الخرج بمقدار يساوي جهد انهيار ثنائي زينر.

منظم الجهد

أمثلة على منظم الجهد (V _in + يكون في الأعلى).

يمكن استخدام ثنائي زينر في دائرة منظم الجهد لتنظيم الجهد المطبق على الحمل، كما هو الحال في منظم الجهد الخطي .

• الصمام الثنائي العكسي
• سلسلة الأرقام المفضلة E
• ثنائي كبح الجهد العابر
• ثنائيات منظم الجهد BZX79

• نظرية TVS/Zener واعتبارات التصميم ؛ ON Semiconductor؛ 127 صفحة؛ 2005؛ HBD854/D. (تنزيل مجاني بصيغة PDF)

• جدول أرقام أجزاء ثنائي زينر المحوري
• براءة الاختراع الأمريكية رقم 4138280A