Il diodo Zener è un particolare tipo di diodo e, più in generale, un particolare tipo di dispositivo a semiconduttore molto utilizzato nei circuiti elettronici. È un componente utilizzato in particolar modo in applicazioni che richiedono una regolazione della tensione oppure protezione dalle sovratensioni.

Il diodo Zener, proprio come un diodo normale, è un componente a semiconduttore che basa il suo funzionamento sulla giunzione p-n. Diversamente dal diodo normale, il diodo Zener è realizzato tramite una giunzione p-n ad alto drogaggio . Inoltre, diversamente da un normale diodo, il diodo Zener è progettato per condurre corrente sia in polarizzazione diretta che in condizioni di polarizzazione inversa.

Leggendo un circuito è facile imbattersi in un diodo Zener, tipicamente quando c’è necessità di fornire livelli stabili di tensione ad un ramo del circuito oppure un componente. Avrai notato che lo Zener nei circuiti ha simbolo leggermente diverso da quello del normale diodo e probabilmente ti sei chiesto perchè. In questo articolo andremo ad esaminare il funzionamento del diodo Zener, vedremo come funziona e a cosa serve.

Cos’è il diodo Zener

Diodo Zener
Diodo Zener: la banda nera indica il catodo, al lato opposto è l’anodo

Il diodo Zener è un componente costruito in materiale semiconduttore che, attraverso la giunzione p-n, permette alla corrente di fluire dall’anodo al catodo e viceversa.

Il diodo Zener è un particolare tipo di diodo in grado di condurre corrente non solo in polarizzazione diretta, come gli altri diodi, ma anche in polarizzazione inversa.

Diodo Zener in polarizzazione diretta ed inversa
Diodo Zener: verso di tensione e corrente in polarizzazione diretta ed inversa

Ricordiamo brevemente cosa si intende per polarizzazione diretta ed inversa. Polarizzazione diretta significa che il potenziale applicato al catodo è maggiore di quello applicato all’anodo. Polarizzazione inversa significa che il potenziale applicato all’anodo è maggiore di quello applicato al catodo.

Un diodo (non Zener), è in grado di condurre unicamente quando si trova in polarizzazione diretta e superata una certa tensione di soglia. Al di sopra di questa soglia, il diodo permette che una corrente fluisca dall’anodo al catodo. In polarizzazione inversa ed al di sotto della tensione di soglia, il diodo non conduce e si comporta come un circuito aperto, non permettendo alcun passaggio di corrente. Se si applicasse una tensione inversa ad un diodo non Zener e questa raggiungesse il valore della tensione di breakdown, idealmente il diodo comincerebbe a condurre una corrente inversa. Tuttavia, per come sono fisicamente realizzati, un diodo normale polarizzato in inversa si romperebbe a causa dell’incapacità di dissipare tutta la potenza.

Il diodo Zener è in grado di condurre corrente in polarizzazione diretta esattamente come un diodo normale (non Zener). Caratteristica principale del diodo Zener è che può condurre (e sostenere) una corrente anche quando si trova in polarizzazione inversa ed in particolare nella regione di breakdown, superato una certo valore di tensione di Zener.

Da un punto di vista costruttivo, il diodo Zener è realizzato imponendo un alto drogaggio in entrambe le zone della regione p-n. Questo significa che la regione p avrà una alta densità elettroni ed in maniera analoga la regione n avrà una alta concentrazione di lacune. I valori tipici della densità di atomi nei semiconduttori a basso drogaggio è dell’ordine di 1016 atomi/cm3 mentre, nei semiconduttori ad alto drogaggio la densità di atomi è dell’ordine di 1018 atomi/cm3.

In virtù dell’alto drogaggio con cui è realizzato il diodo Zener è facilmente realizzabile il fenomeno di breakdown detto anche di rottura del dielettrico. Il fenomeno di breakdown è dovuto all’effetto valanga ed all’effetto Zener. L’elevato drogaggio permette che, al crescere della tensione inversa e superata una certa tensione detta tensione di breakdown, il diodo Zener possa condurre corrente anche molto elevata ad una tensione pressoché costante.

Come funziona il diodo Zener?

Il funzionamento del diodo Zener è basato sul cosiddetto effetto breakdown ed effetto Zener. Quando si applica una tensione inversa, cioè dall’anodo al catodo, e questa supera una certa soglia detta tensione di Zener, il diodo Zener è in grado di condurre corrente. L’effetto Zener si ha quando il campo elettrico all’interno del semiconduttore è tale da provocare il movimento di elettroni per effetto tunnel dalla banda di valenza della regione p a quella di conduzione della regione n. A seconda del livello di drogaggio con cui è realizzato il diodo Zener, quest’ultimo presenta un livello di tensione di Zener dell’ordine di pochi Volt oppure centinaia di Volt. In teoria, l’effetto Zener si realizzerebbe anche in un diodo normale cioè a basso drogaggio ma il diodo nella pratica si romperebbe prima di raggiungere la tensione inversa necessaria per il breakdown non riuscendo a dissipare la potenza in gioco.

Caratteristica del diodo Zener

La caratteristica tensione-corrente del diodo Zener è la rappresentazione grafica di come si comporta il diodo in termini di tensione applicata ai suoi estremi e di corrente che scorre attraverso di esso.

Caratteristica tensione-corrente del diodo Zener
Caratteristica tensione-corrente del diodo Zener

Nella zona di polarizzazione diretta, il diodo Zener si comporta come un diodo normale ovvero se la tensione applicata tra catodo ed anodo supera una certa soglia il diodo è attraversato da corrente. Nei diodi in silicio la soglia di tensione per la conduzione di corrente è tipicamente di circa 0,7 V. Superata tale soglia il diodo si comporta come un circuito chiuso permettendo che scorra una corrente. Idealmente questa corrente aumenta in maniera esponenziale all’avvicinarsi della tensione applicata al valore di soglia.
Nella zona di polarizzazione inversa, al crescere della tensione (negativa), il diodo Zener, per tensioni minori di zero si trova in una zona di interdizione in cui non conduce corrente finché non si raggiunge il valore di tensione di Zener. Superata la tensione di Zener, avviene un passaggio di corrente che idealmente esponenziale mantenendo un valore di tensione nell’intorno del valore della tensione di Zener.
La possibilità di poter operare, ovvero di condurre corrente all’applicazione di una tensione inversa è la caratteristica chiave del diodo Zener.

Simbolo diodo Zener

Il simbolo del diodo Zener è mostrato nella figura seguente.

Diodo Zener simbolo
Diodo Zener simbolo

Parametri del diodo Zener

I parametri che caratterizzano principalmente il diodo Zener e che possiamo trovare nel datasheet del produttore sono i seguenti.

Parametri caratteristici del diodo Zener
Significato dei parametri caratteristici del diodo Zener
  • IZ: corrente di test. É la corrente utilizzata dal produttore del diodo come riferimento per gli altri parametri.
  • VZ: tensione inversa di breakdown. Valore di tensione inversa che occorre applicare al diodo per far fluire una corrente pari alla corrente di test IZ.
  • rZ: resistenza differenziale. Il valore di resistenza che assume il diodo Zener quando attraversato da una corrente pari alla corrente di test IZ.
  • IZK: il valore minimo della corrente inversa a partire dal quale si può ritenere, in buona approssimazione, la caratteristica tensione-corrente del diodo Zener, lineare. Alla corrente IZK corrisponde un valore di tensione VZK.

Un altro parametro che si può trovare nella scheda dati e sicuramente molto importante è quello della potenza massima che il diodo Zener è fisicamente in grado di dissipare in presenza di una tensione VZmax ed una corrente IZmax .

A cosa serve il diodo Zener?

Il diodo Zener all’interno dei circuiti serve a regolare o limitare la tensione in ingresso ad un determinato livello. Il diodo Zener viene usato perché può lavorare sia in polarizzazione diretta che in inversa. La caratteristica principale del diodo Zener è quella di condurre in polarizzazione inversa una volta superata la tensione di breakdown di Zener ma anche in polarizzazione diretta quando la tensione in ingresso è superiore alla tensione di soglia. Questa caratteristica lo rende un componente unico ed è una ottima soluzione per applicazioni che richiedono una limitazione controllata della tensione. Vediamo di seguito i principali configurazioni circuitali in cui è utilizzato il diodo Zener.

Circuito limitatore con un diodo Zener

In questa configurazione circuitale, lo Zener è posto in parallelo al carico in uscita. È possibile comandare il carico con una tensione quasi costante. Nella figura seguente viene mostrato il circuito limitatore ad un solo diodo Zener e l’andamento della tensione in uscita rispetto alla tensione in ingresso.

Funzionamento di un circuito limitatore con un diodo Zener
Funzionamento di un circuito limitatore con un diodo Zener

Come si può notare osservando la funzione caratteristica ingresso-uscita di questo circuito, la tensione in uscita sarà limitata dalla tensione Zener VZ quando il diodo è in polarizzazione inversa e dalla tensione di soglia Vγ quando il diodo è in polarizzazione diretta.

Supponiamo di avere una tensione di ingresso sinusoidale ovvero una alimentazione in alternata. Quando la tensione VIN è positiva, il diodo Zener è in polarizzazione inversa ed in uscita avremo una tensione che al massimo sarà pari alla tensione di Zener VZ. Quando la sinusoide in ingresso assume valori negativi, il diodo Zener sarà in polarizzazione diretta e quindi la tensione in uscita sarà limitata dalla tensione di soglia in diretta Vγ. Per valori intermedi il diodo sarà interdetto e quindi la tensione in uscita sarà pari a quella in ingresso.

Riassumendo, per un circuito limitatore con un solo diodo Zener posto in parallelo al carico possiamo distinguere questi casi:

IngressoUscitaFunzionamento
VIN > VZVOUT = VZil diodo Zener conduce in inversa
-Vγ < VIN < VZVOUT = VINil diodo Zener non conduce
VIN < -Vγ VOUT = -Vγil diodo Zener conduce in diretta
Caratteristica ingresso-uscita del circuito limitatore con un diodo Zener

In questa tipologia di circuito, per qualsiasi tensione in ingresso, la tensione di uscita non supererà mai i valori di -Vγ e di VZ ed è quindi importante scegliere adeguatamente il diodo. Il dimensionamento della resistenza posta in ingresso serve a limitare la corrente che fluisce sul diodo Zener in maniera tale da preservare il corretto funzionamento del diodo nei limiti di corrente stabiliti dal produttore del componente.

Circuito limitatore con due diodi Zener

In questa configurazione circuitale si utilizzano due diodi Zener posti in antiserie (in serie ma orientati in maniera opposta tra loro) ed in parallelo al carico. La combinazione dei due diodi Zener in antiserie fa sì che uno di questi lavori in polarizzazione diretta e contemporaneamente l’altro funzioni in polarizzazione inversa. Ne risulta che sul carico posto in uscita viene applicata una tensione che al massimo sarà pari alla tensione di Zener sommata alla tensione del diodo in polarizzazione inversa.

Funzionamento di un circuito limitatore con due diodi Zener
Funzionamento di un circuito limitatore con due diodi Zener

Data una tensione in ingresso sinusoidale, la tensione in uscita sarà come quella di ingresso ma “filtrata” dei valori superiori od inferiori ad un certo limite. Il limite superiore è dato dalla somma della tensione Zener del diodo DZ1 con la tensione di soglia del diodo DZ2 (VZ1 + Vγ2). Il limite inferiore è dato dalla somma della tensione Zener del diodo DZ2 con la tensione di soglia del diodo DZ1 (-VZ2 – Vγ1). In condizioni intermedie almeno uno dei diodi non sarà in conduzione e quindi la tensione in uscita sarà pari a quella in ingresso. A seconda delle esigenze che si possono avere sulla tensione che occorre fornire al carico, è possibile prevedere due diodi con tensione di Zener differente.

Riassumendo, per un circuito limitatore con due diodi Zener, in antiserie tra loro e posti in parallelo al carico possiamo distinguere questi casi:

IngressoUscitaFunzionamento
VIN > VZ1 + Vγ2VOUT = VZ1 + Vγ2DZ1 in inversa e DZ2 in diretta
-VZ2 – Vγ1 < VIN < VZ1 + Vγ2VOUT = VINDZ1 e DZ2 non sono in conduzione
VIN < -VZ2 – Vγ1 VOUT = -VZ2 – Vγ1DZ2 in inversa e DZ1 in diretta
Caratteristica ingresso-uscita del circuito limitatore con due diodi Zener in antiserie

Considerando che si utilizzino due diodi Zener con caratteristiche costruttive identiche, è possibile assumere che in tale circuito, per qualsiasi valore di tensione in ingresso, la tensione di uscita non potrà mai superare i valori di VZ + Vγ e di -VZ – Vγ.

Diodo Zener: vantaggi e svantaggi

Il diodo Zener è un componente a semiconduttore in grado di condurre corrente quando si trova in polarizzazione inversa. È utilizzato in tutte quelle applicazioni che richiedono di regolare o limitare la tensione in ingresso ad un carico in maniera determinata. Questa caratteristica lo rende un componente unico nel suo genere, tuttavia presenta anche degli svantaggi. Vediamo di seguito quali sono i principali vantaggi e quali i limiti nell’utilizzo di un diodo Zener.

Vantaggi del diodo Zener

I principali vantaggi nell’uso del diodo Zener sono:

  • Componente semplice, a basso costo
  • Facile da integrare in un circuito grazie alle sue dimensioni contenute
  • Possibile limitare la tensione ad un valore prestabilito e assicurare protezione dalle sovratensioni

Svantaggi del diodo Zener

I principali limiti nell’uso del diodo Zener sono:

  • Valori alti di tolleranza sulla tensione, ovvero la possibile deviazione che si può verificare rispetto alla tensione nominale dichiarata. Questo rende lo Zener poco preciso e quindi poco utile rispetto a regolatori più complessi
  • Limitata potenza nominale. Lo Zener ha tipicamente una bassa capacità di dissipare il calore senza danneggiarsi e questo ne limita l’utilizzo in applicazioni a bassa potenza.
  • Dipendenza dalla temperatura che ne può limitare fortemente le prestazioni

Il diodo Zener in breve

Riassumendo, il diodo Zener è un componente progettato per lavorare in condizioni di polarizzazione inversa ma è in grado di condurre anche in polarizzazione diretta. È un dispositivo a semiconduttore realizzato tramite un alto drogaggio della regione p-n. È un componente molto versatile, di facile impiego e molto utile quando occorre fornire una tensione di riferimento ad un carico. Il diodo Zener è poco adatto ad applicazioni ad elevata potenza a causa della sua inefficienza nel dissipare calore.