一文幫你搞定齊納二極管

齊納二極管(又叫穩(wěn)壓二極管)，是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。在這臨界擊穿點上,反向電阻降低到一個很少的數(shù)值,在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定,穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的,因為這種特性,穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。其伏安特性,穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。

齊納二極管的基本機(jī)制

齊納二極管作為二極管中的一種，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體融合在一起形成PN結(jié)，在PN結(jié)周圍，形成具有反相離子的耗盡層。

它與簡單二極管之間的區(qū)別主要是：

1、摻雜程度：簡單二極管是中度摻雜，齊納二極管是重?fù)诫s，以實現(xiàn)更高的擊穿電壓。摻雜程度的不同這有助于它們在不同電壓水平下工作的規(guī)格。

2、導(dǎo)電情況：由于齊納二極管高摻雜，與簡單二極管的PN結(jié)相比，齊納二極管PN結(jié)的耗盡層很薄，這為齊納二極管提供了特殊的特性，在正向和反向偏置條件下都可以導(dǎo)電。

齊納二極管實物圖和電路符號

齊納二極管電路圖

齊納二極管電路符號圖

齊納二極管的工作原理

齊納二極管在正向偏置時的作用類似于普通二極管。然后，一旦反向電壓等于其額定電壓，就會允許電流反向流動。

齊納二極管直流電壓表示圖

擊穿工作的齊納二極管充當(dāng)電壓調(diào)節(jié)器，因為它在指定的反向電流值范圍內(nèi)跨其端子保持幾乎恒定的電壓，該電壓等于齊納電壓。由反向擊穿產(chǎn)生的齊納二極管兩端的恒定電壓降由直流電壓符號表示。

齊納二極管的正向偏置

齊納二極管的正向特性類似于簡單的二極管，正向電流是正向壓降的指數(shù)函數(shù)。電壓降的微小變化會導(dǎo)致電流快速上升。通常，PN 結(jié)上 0.8伏的電壓降足以使齊納二極管正向偏置。正向偏置的齊納二極管如下所示：

正向偏置齊納二極管

齊納二極管反向偏置

普通二極管在反向偏置模式下工作時，不會有電流流過。在這種情況下，大量電子流可能會損壞二極管。然而，在齊納二極管中，由于PN結(jié)的薄耗盡層產(chǎn)生的強(qiáng)電場而發(fā)生齊納擊穿。發(fā)生齊納擊穿的電壓稱為VZ（齊納電壓）。

根據(jù)應(yīng)用和電壓要求，生產(chǎn)的齊納二極管具有不同級別的齊納電壓。一旦發(fā)生齊納擊穿，反向電壓的進(jìn)一步增加不會導(dǎo)致任何進(jìn)一步的電壓下降，并且在一定的電壓水平上保持恒定，直到發(fā)生雪崩擊穿。

簡而言之，對于反向偏置的齊納二極管，它從0V到齊納電壓 (VZ )保持關(guān)閉（少量電流流動）。從 VZ到雪崩擊穿，施加電壓的微小變化會導(dǎo)致反向電流快速增加。反向偏置齊納二極管如下圖所示：

反向偏置齊納二極管

正向偏置和反向偏置條件下齊納二極管的特性

典型齊納二極管的特性如下圖所示：

齊納二極管工作特性-齊納擊穿，雪崩擊穿

齊納二極管的工作原理取決于二極管在反向偏置條件下?lián)舸┑脑?。要想更多了解齊納二極管的工作原理，就必須要了解齊納二極管中的兩種反向擊穿：雪崩和齊納擊穿。

擊穿電壓小于約 5 V 的齊納二極管通常在齊納擊穿中工作。那些擊穿電壓大于約 5 V 的設(shè)備通常在雪崩擊穿中工作。

齊納二極管齊納和雪崩擊穿圖

齊納二極管的雪崩擊穿

當(dāng)向 PN 結(jié)施加高值的反向電壓時，自由電子獲得足夠的能量并以高速加速。這些高速運動的自由電子會碰撞其他原子并擊落更多的電子。由于這種連續(xù)的碰撞，二極管中的電流迅速增加，從而產(chǎn)生大量的自由電子。

電流的這種突然增加可能會永久性地破壞正常的二極管，但是，齊納二極管被設(shè)計為在雪崩擊穿下工作，并且可以承受電流的突然尖峰。雪崩擊穿發(fā)生在齊納電壓 (Vz) 大于6V 的齊納二極管中。

對于具有大擊穿電壓的輕摻雜二極管，電壓擊穿也發(fā)生在反向偏置條件下，最低為8V。流經(jīng)二極管的電子與共價鍵中的電子發(fā)生碰撞，從而破壞它。電子的速度隨著電壓的增加而增加，這意味著共價鍵可以更容易地被破壞。還應(yīng)注意，雪崩擊穿電壓隨溫度升高。

齊納二極管的雪崩擊穿原理圖

齊納二極管的齊納擊穿

當(dāng)施加的反向偏壓接近齊納電壓時，耗盡區(qū)的電場強(qiáng)度足以將電子從其價帶中拉出。從耗盡區(qū)的強(qiáng)電場中獲得足夠能量的價電子脫離母原子。在齊納擊穿區(qū)，電壓的小幅增加會導(dǎo)致電流的快速增加。

齊納擊穿通常發(fā)生在具有大電場和低擊穿電壓的高摻雜二極管上。隨著溫度的升高，價電子獲得更多的能量，因此需要更少的外向電壓。這也意味著齊納擊穿電壓隨溫度降低。

二極管齊納擊穿機(jī)制圖

雪崩擊穿與齊納擊穿的區(qū)別

在這里順帶總結(jié)一下齊納擊穿與雪崩擊穿的區(qū)別，如下圖所示：

雪崩擊穿和齊納擊穿的區(qū)別圖

齊納二極管參數(shù)解讀

很能有些特殊的齊納二極管的某些規(guī)格參數(shù)會存在不同。這里只說一下比較常見的規(guī)格參數(shù)：

齊納電壓（Vz）

齊納電壓也稱為擊穿電壓，是使二極管導(dǎo)通電流的反向偏置電壓。擊穿電壓的范圍通常為2.4V至數(shù)百伏，具體取決于特定的齊納二極管。

最大電流（Iz-max）

Iz-max 是在反向擊穿電壓下可以流過齊納二極管的最大電流。它的范圍從 200μA 到 200A。Iz-max 可以使用以下公式計算：

Iz=Pz/Vz

其中 Pz 是二極管可以處理的最大功率，Vz 是反向擊穿電壓。

最小電流（Iz-min）

Iz-min 是導(dǎo)致齊納二極管擊穿所需的最小電流量。它的范圍從 5mA 到 10mA。

測試電流(IZ )

對于每個齊納二極管，齊納電壓 (VZ ) 是在指定的齊納測試電流 (IZ ) 下測量的。例如，1N4732A 的齊納電壓范圍為 4.465 至 4.935V，典型值為 4.7V，測試電流為 53mA。

拐點電流(IZK )

保持二極管擊穿電壓調(diào)節(jié)所需的最小電流。1 瓦齊納二極管的典型值約為 0.25 至 1mA。如果未達(dá)到此電流，二極管將無法充分擊穿以維持其額定電壓。

漏電流

反向漏電流是針對小于拐點電壓的反向電壓指定的。這意味著齊納二極管對于這些測量沒有反向擊穿。例如，1N4728A 中的反向電壓為 1V。

額定功率（Pz）

額定功率是齊納二極管可以安全耗散的最大功率。齊納二極管常用的額定功率包括 400 mW、500mW、1mW、3mW 和 5mW。具有高額定功率的齊納二極管通常很昂貴，并且它們需要額外的設(shè)備來去除多余的熱量。齊納二極管的最大功耗 (Pzm) 可以通過給定的公式計算，

Pzm=Iz*Vz

其中，Iz 是可以流過齊納二極管的最大電流，Vz 是齊納擊穿電壓。

齊納電阻 (ZZ )

齊納電阻或齊納阻抗是齊納二極管為電流提供的總電阻。齊納電阻從反向 VI 特性圖中也很明顯，因為它不是完全垂直的，因此對于齊納二極管兩端電壓的微小變化，電流會發(fā)生輕微變化，而這種電壓相對于電流是齊納二極管提供的電阻。理想情況下，它應(yīng)該為零，但每個齊納二極管都提供一定量的齊納電阻。

齊納二極管的齊納阻抗由下式計算：

R=Vi-Vz/Iz

其中Vi是輸入電壓，Iz是通過齊納二極管的電流，Vz是齊納擊穿電壓。

齊納二極管容差

納二極管的容差被定義為接近擊穿電壓的電壓范圍，在該范圍內(nèi)齊納二極管在反向偏置中傳導(dǎo)電流。在制造穩(wěn)壓二極管的過程中，同一種穩(wěn)壓二極管的摻雜濃度可能會略有不同，這意味著它們的擊穿電壓也有細(xì)微的差別，因此同一種穩(wěn)壓二極管在不同的反向擊穿電壓值下會導(dǎo)通反向電流，而齊納擊穿電壓的這個范圍稱為它們的容差。通常，齊納二極管的電壓容差為±5%。

溫度系數(shù) (TC)

齊納二極管受與其電壓溫度系數(shù)相關(guān)的溫度變化的影響。溫度系數(shù)指定每次溫度變化時齊納電壓的百分比變化。對于給定的結(jié)溫變化 (%/℃)，計算齊納電壓變化的公式為：

Vz 是標(biāo)稱齊納電壓，TC 是溫度系數(shù)，ΔT 是溫度變化

如果溫度系數(shù)以 mV/℃ 表示，則 ΔVz 為：

正溫度系數(shù)意味著齊納電壓的變化與溫度的變化成正比。因此，負(fù) TC 意味著齊納電壓與溫度變化成反比。

結(jié)溫

為了保證二極管的可靠性，二極管結(jié)溫是關(guān)鍵。即使外殼可能足夠冷，活動區(qū)域仍然可能非常熱。因此，一些制造商指定了結(jié)本身的工作范圍。對于正常設(shè)計，通常在設(shè)備內(nèi)的最大預(yù)期溫度和結(jié)之間保留適當(dāng)?shù)挠嗔?。設(shè)備內(nèi)部溫度將再次高于設(shè)備外部溫度。盡管設(shè)備外部的環(huán)境溫度可以接受，但必須注意確保單個物品不會變得太熱。

封裝

齊納二極管有多種不同的封裝。主要選擇是在表面貼裝和傳統(tǒng)的通孔器件之間。然而，所選擇的封裝通常會決定封裝的散熱水平，而封裝是根據(jù)器件內(nèi)部散熱水平的要求來選擇的，具體的可以去參考相關(guān)齊納二極管的datasheet。

齊納二極管功能講解+齊納二極管使用圖解

齊納二極管的功能十分強(qiáng)大，在電路中有大量的應(yīng)用：電壓參考、穩(wěn)壓器、過壓保護(hù)、限幅、浪涌抑制......

下面列舉出其中的一些：

電壓參考

最基本的齊納二極管電路由一個齊納二極管和一個電阻組成。齊納二極管提供參考電壓，但必須有一個串聯(lián)電阻來限制流入二極管的電流，否則大量電流會流過它并可能被破壞。

應(yīng)計算齊納二極管電路中的電阻值，以給出所用電源電壓所需的電流值。通常，大多數(shù)低功率引線齊納二極管的最大功耗為 400 mW。理想情況下，電路的耗散量應(yīng)小于該值的一半，但要正確運行，流入齊納二極管的電流不應(yīng)低于約 5 mA，否則它們不能正確調(diào)節(jié)。

基本電壓基準(zhǔn)齊納二極管電路

穩(wěn)壓器

齊納二極管用作穩(wěn)壓器/穩(wěn)壓器

相關(guān)計算公式

對于上面給出的電路圖，至少需要 12V 的 V DC才能在 1KΩ 負(fù)載下產(chǎn)生 7.5V 的輸出。

在運算放大器的幫助下，可以設(shè)計一個更改進(jìn)的電壓調(diào)節(jié)電路，如下圖所示：

使用齊納二極管和運算放大器的改進(jìn)電壓調(diào)節(jié)電路

齊納二極管放置在運算放大器的非反相輸入端，將齊納電壓設(shè)置為參考電壓 (V 1 )。另一個輸入，即反相 (V 2 ) 取自輸出電壓。

V 2電壓取決于輸出電壓 (V out )，輸出電壓的任何變化都會反映在 V 2中。負(fù)載的增加會導(dǎo)致輸出電壓下降，從而降低輸入電壓 (V 2 )。

運算放大器試圖保持兩個輸入，即 V 1 =V Z和 V 2相等，并達(dá)到此條件運算放大器的輸出電壓（V o) 增加，從而補(bǔ)償負(fù)載電壓的下降。

類似地，每當(dāng)負(fù)載條件降低時，V 2的增加就會導(dǎo)致運算放大器降低其輸出電壓 (V O )。這降低了晶體管 (Q 1 ) 基極電流，因此輸出電壓降低。

該電路的輸出電壓等式由下式給出：

例如要獲得 10V 的輸出電壓：

則需要一個齊納電壓為 5V 的齊納二極管。

過壓保護(hù)

對于下圖所示的電路，任何高于齊納擊穿電壓的電壓都會導(dǎo)致電流流過電阻。該電阻上出現(xiàn)電壓降，該電阻器導(dǎo)通晶體管并短路路徑。大電流流動并打開保險絲以斷開電路。

過壓保護(hù)電路中的齊納二極管

限幅電路

當(dāng)交流電壓施加到齊納二極管時，任何高于齊納擊穿電壓的電壓都會被剪掉。以相反方向串聯(lián)的兩個二極管會導(dǎo)致 AC 在正負(fù)循環(huán)中削波。削波電路的一個例子是正弦波到方波轉(zhuǎn)換器。

限幅電路中的齊納二極管

齊納二極管的電路技巧

齊納二極管是一種非常靈活和有用的電路元件。然而，與任何其他電子元件一樣，有一些提示和技巧可以讓齊納二極管發(fā)揮最佳性能。下面列出了一些方法：

1. 用發(fā)射極或源極跟隨器電路緩沖齊納二極管電路

為了使齊納二極管的電壓盡可能穩(wěn)定，流經(jīng)齊納二極管的電流必須保持恒定。負(fù)載吸收的電流的任何變化都必須最小化，因為這些變化會改變通過齊納二極管的電流并導(dǎo)致輕微的電壓變化。

2. 負(fù)載引起的變化可以通過使用射極跟隨器電路級來減少從齊納二極管電路獲取的電流，從而減少它看到的變化，這樣的話可以使用更小的齊納二極管。

3. 使用恒流源驅(qū)動以獲得最佳穩(wěn)定性

提高齊納穩(wěn)定性的另一種方法是使用良好的恒流源。僅使用一個電阻器的簡單電路足以滿足許多應(yīng)用，但更有效的電流源可以在電路性能方面提供一些改進(jìn)，因為幾乎不管電源軌的任何變化都可以保持電流。

4.選擇正確的電壓以獲得最佳穩(wěn)定性

在需要隨溫度變化保持穩(wěn)定性的應(yīng)用中，應(yīng)選擇齊納電壓基準(zhǔn)二極管，使其電壓約為 5.5 伏。最接近的首選值是 5.6 伏，盡管 5.1 伏是另一個流行的值，因為它接近某些邏輯系列所需的 5 伏。

如果需要不同級別的電壓，可以使用 5.6 伏齊納二極管，并且可以使用周圍的電子設(shè)備將其轉(zhuǎn)換為所需的輸出值。

5. 保證有足夠的電流進(jìn)行反向擊穿

必須保證有足夠的電流通過二極管，以保證其保持在反向擊穿狀態(tài)。對于典型的 400 mW 設(shè)備，必須保持大約 5 mA 的電流。

對于最小電流的準(zhǔn)確值，應(yīng)查閱特定器件和電壓的datasheet。如果未提供最小電流，則二極管將無法正常導(dǎo)通，整個電路將無法運行。

6. 確保不超過齊納二極管的最大電流限制

雖然有必要確保有足夠的電流通過齊納二極管，但不得超過最大限制。在某些電路中，這可能是一種平衡行為，因為負(fù)載電流的變化會導(dǎo)致齊納二極管電流發(fā)生變化。

應(yīng)注意不要超過最大電流或最大功耗，也可以使用射極跟隨器電路來緩沖齊納二極管并增加電流能力。

齊納二極管非常易于使用，因此有各種各樣不同的齊納二極管電路。當(dāng)使用一些預(yù)防措施時，它們運行良好，但偶爾會引起一些問題，但遵循上述提示和技巧應(yīng)該有助于避免大多數(shù)問題。

總結(jié)

以上本篇，就是關(guān)于齊納二極管的工作原理與工作特性、功能應(yīng)用和電路技巧，希望能夠幫助到大家。

審核編輯：湯梓紅