Qu’est-ce qu’une diode Zener ?
Une diode Zener est une diode qui relie un semi-conducteur de type n et un semi-conducteur de type p et qui présente une tension inverse relativement faible et une valeur de tension stable. Elles sont également appelées diodes à tension constante.
Les diodes normales présentent un effet de redressement dans lequel le degré de conduction change en fonction de la polarité de la polarisation appliquée aux deux extrémités, et aucun courant ne circule même lorsqu’une tension de polarisation inverse très élevée est appliquée. Cependant, des diodes spéciales connues sous le nom de diodes Zener présentent des caractéristiques de diode qui permettent à une grande quantité de courant de circuler rapidement lorsqu’une tension de polarisation inverse relativement faible (mais supérieure à un certain seuil) est appliquée.
En utilisant les caractéristiques uniques de redressement des diodes Zener, une tension constante peut être maintenue dans le circuit.
Utilisations des diodes Zener
Les diodes Zener se caractérisent par le fait que lorsqu’une tension inverse supérieure à une certaine valeur est appliquée, elles permettent un flux rapide de courant et suppriment toute augmentation supplémentaire de la tension. Elles sont donc utilisées pour maintenir la tension d’une alimentation instable à un niveau constant et pour protéger les circuits contre les surtensions.
Par exemple, une diode Zener est connectée en parallèle avec une alimentation instable de manière à ce que sa polarisation soit inversée. Par conséquent, si la tension de l’alimentation est supérieure à la valeur de claquage de la diode Zener, un courant important traverse la diode Zener, réduisant ainsi la tension et maintenant la tension à travers le circuit à un niveau constant.
Principe de la diode Zener
L’origine des caractéristiques uniques présentées par les diodes Zener serait liée à deux facteurs : l’effet Zener et l’effet d’avalanche. Le premier est un phénomène dans lequel la couche de déplétion générée lorsqu’une polarisation inverse est appliquée est rendue plus fine en créant intentionnellement une jonction pn à l’aide d’un semi-conducteur à forte concentration d’impuretés (ce qui est unique aux diodes Zener), et à une certaine valeur de seuil, les électrons sautent par-dessus la couche de déplétion en raison de l’effet tunnel, ce qui entraîne une conduction électrique.
Ce dernier est un phénomène dans lequel les électrons accélérés plus fortement qu’à une forte polarisation entrent en collision avec des atomes semi-conducteurs, faisant tomber de nombreux porteurs, qui à leur tour entrent en collision avec des atomes semi-conducteurs, faisant tomber encore plus de porteurs, provoquant de manière répétée une avalanche d’électrons et un flux de courant important.
Lorsque la polarisation dépasse le seuil, l’effet d’avalanche se produit : les électrons qui sautent à travers la couche de déplétion en raison de l’effet Zener provoquent une polarisation inverse élevée et un courant important, qui entraîne à son tour une chute de tension, ce qui abaisse la tension jusqu’au seuil.
La tension à travers le circuit est alors maintenue constante, ce qui stabilise les alimentations électriques instables et protège le circuit contre les surtensions externes. Actuellement, la tension de claquage inverse de ces Diodes Zener peut être fabriquée de manière très contrôlée, en fonction du taux de concentration d’impuretés et du traitement du semi-conducteur.
Une large gamme de types et de tolérances est disponible sur le marché, avec des sélections allant de 1 V à plusieurs centaines de V, et des tolérances étroites de ±0,05% pour certaines valeurs de tension.
Autres informations sur les diodes Zener
1. Montage en série et en parallèle des diodes Zener
Connexion en série
Lors du raccordement en série des diodes Zener, il convient de prêter attention à la valeur du courant zener lz qui circule. La valeur globale du courant maximal admissible correspond au plus petit courant admissible des diodes Zener connectées. Elle doit donc être utilisée dans la limite de la plus petite perte admissible.
Notez que si le courant de zener pour la spécification de la tension de zener est différent pour chaque diode, la valeur de la tension sera différente de la tension de zener que vous souhaitez trouver. La raison en est que l’une des diodes Zener n’aura pas la valeur de courant de Zener spécifiée.
Connexion en parallèle
Les diodes Zener ne peuvent pas être connectées en parallèle car cela augmente les pertes admissibles. Notez que lors d’une connexion en parallèle, le courant de la diode Zener peut se concentrer sur celle qui a la tension la plus faible et dépasser les pertes admissibles.
2. Caractéristiques des diodes Zener
Caractéristiques de température
La caractéristique de température signifie que les caractéristiques changent avec la température. Dans le cas des diodes Zener, cette caractéristique de température change en fonction de la tension de l’élément zener. La raison en est l'”effet tunnel” et l'”effet d’avalanche”.
Le coefficient de température de l’effet tunnel est négatif, tandis que celui de l’effet d’avalanche est positif. Par conséquent, une faible tension Zener diminuera lorsque la température ambiante augmentera. En revanche, ceux qui ont une tension de Zener élevée se caractérisent par une augmentation de la tension de Zener lorsque la température ambiante augmente.
Une tension Zener faible désigne ici généralement une tension inférieure à 5 V, et une tension Zener élevée désigne généralement une tension supérieure à 5 V. Lorsque la diode Zener se trouve aux alentours de 5 V, les effets de tunnel et d’avalanche agissent de concert pour provoquer le phénomène Zener. À ce stade, la caractéristique de température est également à peu près la même et la tension Zener est moins affectée par la température ambiante.
Le bruit
Dans une diode Zener, plus la tension de Zener est élevée, plus le bruit est important, et moins le courant est élevé, plus le bruit est faible. Pour éviter le bruit, il convient de connecter en série plusieurs éléments à faible tension zener. Le bruit peut également être éliminé en connectant un condensateur en parallèle avec la diode Zener.
3. Méthodes de sélection des diodes en fonction de l’application
Bien que les caractéristiques et les utilisations des diodes Zener aient été décrites, il existe divers autres dispositifs de diode à semi-conducteur. Cette section fournit des informations supplémentaires sur les différences entre les autres diodes et leurs caractéristiques.
La diode TVS (Transient Voltage Suppressors) est un dispositif qui utilise des caractéristiques inverses. Comme les diodes Zener, elles sont également utilisées pour assurer une protection contre les surtensions, mais la différence est que, contrairement aux diodes Zener, les TVS sont normalement éteintes et ne s’allument que lorsqu’une surtension est appliquée.
Les diodes à barrière Schottky, qui utilisent une barrière Schottky métallo-semiconducteur, ont des valeurs de tension encore plus basses et sont souvent utilisées pour des applications de redressement avec des vitesses de commutation élevées ; il existe également des diodes de commutation pour les applications de commutation rapide composées d’éléments semi-conducteurs pn. Il existe également des diodes PIN à capacité terminale réduite pour les applications RF (haute fréquence).