Una giunzione progettata per rompersi in sicurezza
Un diodo normale viene distrutto se la tensione inversa lo spinge alla rottura; il diodo Zener è una giunzione di silicio progettata per fare esattamente questo, ripetutamente, senza danneggiarsi. Un drogaggio intenso su entrambi i lati della giunzione mantiene sottile la regione di svuotamento, così che una tensione inversa moderata produce già un campo interno intenso. Sotto circa 5 V il meccanismo dominante è l'effetto tunnel quantistico — il vero effetto Zener — mentre sopra circa 6 V subentra la moltiplicazione a valanga; i dispositivi intermedi combinano entrambi. Il datasheet non li distingue, perché il comportamento esterno è identico.
Il ginocchio e la regione di regolazione
Sotto la tensione Zener nominale scorre solo una piccola corrente di dispersione inversa. Quando la corrente raggiunge la corrente di ginocchio, la curva si piega bruscamente e il componente entra in regolazione: ulteriori aumenti di corrente alzano la tensione ai terminali solo di poco, nella misura fissata dalla resistenza dinamica, tipicamente da pochi ohm a qualche decina. Questa piattezza è esattamente lo scopo: lungo una vasta escursione di corrente la tensione sul diodo si sposta pochissimo, perciò può mantenere un riferimento o un ramo di alimentazione stabile anche quando la corrente cambia.
Come leggere il datasheet
I produttori specificano la tensione Zener a una corrente di prova indicata, insieme alla resistenza dinamica misurata nello stesso punto, alla corrente di ginocchio sotto la quale la regolazione non è garantita, e alla dissipazione di potenza massima che l'involucro sopporta prima che la giunzione si surriscaldi. Poiché la dissipazione è tensione per corrente, un dispositivo con tensione Zener più alta deve operare a corrente più bassa per restare entro lo stesso limite di potenza. Anche la temperatura sposta leggermente la tensione — negativa sotto circa 5 V, positiva sopra — un aspetto rilevante nei riferimenti di precisione.
Dove viene utilizzato
Alimentato tramite un resistore in serie da una tensione più alta, il diodo Zener forma il regolatore di tensione più semplice: il resistore fissa la corrente e il diodo blocca l'uscita vicino alla sua tensione nominale, indipendentemente da variazioni moderate di alimentazione o carico. Lo stesso comportamento di blocco protegge ingressi sensibili dalle sovratensioni, definisce un riferimento stabile per comparatori e convertitori analogico-digitali, e compare all'interno di regolatori lineari e switching più elaborati come riferimento interno attorno a cui è costruito il resto del circuito.