什么是齊納二極管？

齊納二極管是二極管中的一種，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?chē)?，形成具有反相離子的耗盡層。

齊納二極管與簡(jiǎn)單二極管之間的區(qū)別主要有2點(diǎn)：1、摻雜程度，簡(jiǎn)單二極管是中度摻雜，齊納二極管是重?fù)诫s，以實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓。摻雜程度的不同這有助于它們?cè)诓煌妷核较鹿ぷ鞯囊?guī)格。

2、導(dǎo)電情況，由于齊納二極管高摻雜，與簡(jiǎn)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(shí)物圖和電路符號(hào)

齊納二極管電路圖

齊納二極管電路符號(hào)圖

齊納二極管工作原理

齊納二極管在正向偏置時(shí)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(huì)允許電流反向流動(dòng)。

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?yàn)樗谥付ǖ姆聪螂娏髦捣秶鷥?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(hào)表示。

齊納二極管正向偏置

齊納二極管的正向特性類似于簡(jiǎn)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(huì)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

反向偏置特性

普通二極管在反向偏置模式下工作時(shí)，不會(huì)有電流流過(guò)。在這種情況下，大量電子流可能會(huì)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(chǎng)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(jí)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(huì)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(jiǎn)而言之，對(duì)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(dòng)）。從 VZ到雪崩擊穿，施加電壓的微小變化會(huì)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(shí)，自由電子獲得足夠的能量并以高速加速。這些高速運(yùn)動(dòng)的自由電子會(huì)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(huì)永久性地破壞正常的二極管，但是，齊納二極管被設(shè)計(jì)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(duì)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(jià)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(jià)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(shí)，耗盡區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度足以將電子從其價(jià)帶中拉出。從耗盡區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)中獲得足夠能量的價(jià)電子脫離母原子。在齊納擊穿區(qū)，電壓的小幅增加會(huì)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(chǎng)和低擊穿電壓的高摻雜二極管上。隨著溫度的升高，價(jià)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(huì)存在不同。這里只說(shuō)一下比較常見(jiàn)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(guò)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(jì)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(cè)試電流(IZ )

對(duì)于每個(gè)齊納二極管，齊納電壓 (VZ ) 是在指定的齊納測(cè)試電流 (IZ ) 下測(cè)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(cè)試電流為 53mA。

拐點(diǎn)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(wú)法充分擊穿以維持其額定電壓。

漏電流

反向漏電流是針對(duì)小于拐點(diǎn)電壓的反向電壓指定的。這意味著齊納二極管對(duì)于這些測(cè)量沒(méi)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(lái)去除多余的熱量。齊納二極管的最大功耗 (Pzm) 可以通過(guò)給定的公式計(jì)算，

Pzm=Iz*Vz

其中，Iz 是可以流過(guò)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?yàn)樗皇峭耆怪钡模虼藢?duì)于齊納二極管兩端電壓的微小變化，電流會(huì)發(fā)生輕微變化，而這種電壓相對(duì)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(gè)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(jì)算：

R=Vi-Vz/Iz

其中Vi是輸入電壓，Iz是通過(guò)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(guò)程中，同一種穩(wěn)壓二極管的摻雜濃度可能會(huì)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(huì)導(dǎo)通反向電流，而齊納擊穿電壓的這個(gè)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(shí)齊納電壓的百分比變化。對(duì)于給定的結(jié)溫變化 (%/℃)，計(jì)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(dòng)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(duì)于正常設(shè)計(jì)，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(gè)物品不會(huì)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(huì)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(lái)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(guò)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(gè)齊納二極管和一個(gè)電阻組成。齊納二極管提供參考電壓，但必須有一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)限制流入二極管的電流，否則大量電流會(huì)流過(guò)它并可能被破壞。

應(yīng)計(jì)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(yùn)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(jì)算公式

對(duì)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(yùn)算放大器的幫助下，可以設(shè)計(jì)一個(gè)更改進(jìn)的電壓調(diào)節(jié)電路，如下圖 6所示：

使用齊納二極管和運(yùn)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(yùn)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(gè)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(huì)反映在 V 2中。負(fù)載的增加會(huì)導(dǎo)致輸出電壓下降，從而降低輸入電壓 (V 2 )。

運(yùn)算放大器試圖保持兩個(gè)輸入，即 V 1 =V Z和 V 2相等，并達(dá)到此條件運(yùn)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(shí)，V 2的增加就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)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(gè)齊納電壓為 5V 的齊納二極管。

過(guò)壓保護(hù)

對(duì)于下圖所示的電路，任何高于齊納擊穿電壓的電壓都會(huì)導(dǎo)致電流流過(guò)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(dòng)并打開(kāi)保險(xiǎn)絲以斷開(kāi)電路。

過(guò)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(shí)，任何高于齊納擊穿電壓的電壓都會(huì)被剪掉。以相反方向串聯(lián)的兩個(gè)二極管會(huì)導(dǎo)致 AC 在正負(fù)循環(huán)中削波。削波電路的一個(gè)例子是正弦波到方波轉(zhuǎn)換器。

圖 8：

限幅電路中的齊納二極管

齊納二極管電路技巧

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：

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?yàn)檫@些變化會(huì)改變通過(guò)齊納二極管的電流并導(dǎo)致輕微的電壓變化。

負(fù)載引起的變化可以通過(guò)使用射極跟隨器電路級(jí)來(lái)減少?gòu)凝R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。

使用恒流源驅(qū)動(dòng)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(gè)電阻器的簡(jiǎn)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?yàn)閹缀醪还茈娫窜壍娜魏巫兓伎梢员３蛛娏鳌?/span>

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(gè)流行的值，因?yàn)樗咏承┻壿嬒盗兴璧?5 伏。

如果需要不同級(jí)別的電壓，可以使用 5.6 伏齊納二極管，并且可以使用周?chē)碾娮釉O(shè)備將其轉(zhuǎn)換為所需的輸出值。

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(guò)二極管，以保證其保持在反向擊穿狀態(tài)。對(duì)于典型的 400 mW 設(shè)備，必須保持大約 5 mA 的電流。

對(duì)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(wú)法正常導(dǎo)通，整個(gè)電路將無(wú)法運(yùn)行。

確保不超過(guò)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(guò)齊納二極管，但不得超過(guò)最大限制。在某些電路中，這可能是一種平衡行為，因?yàn)樨?fù)載電流的變化會(huì)導(dǎo)致齊納二極管電流發(fā)生變化。

應(yīng)注意不要超過(guò)最大電流或最大功耗，也可以使用射極跟隨器電路來(lái)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(shí)，它們運(yùn)行良好，但偶爾會(huì)引起一些問(wèn)題，但遵循上述提示和技巧應(yīng)該有助于避免大多數(shù)問(wèn)題。