穩(wěn)壓二極管工作原理

在通常情況下，反向偏置的PN結(jié)中只有一個(gè)很小的電流。這個(gè)漏電流一直保持一個(gè)常數(shù)，直到反向電壓超過(guò)某個(gè)特定的值，超過(guò)這個(gè)值之后PN結(jié)突然開(kāi)始有大電流導(dǎo)通(圖1.15)。反向擊穿通常設(shè)置了固態(tài)器件的最大工作電壓。然而，如果采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施來(lái)限制電流的話(huà)，反向擊穿的結(jié)能作為一個(gè)非常穩(wěn)定的參考電壓。

圖1.15 PN結(jié)二極管的反向擊穿。

導(dǎo)致反向擊穿的一個(gè)機(jī)制是avalanche multiplicatiON?？紤]一個(gè)反向偏置的PN結(jié)。耗盡區(qū)隨著偏置上升而加寬，但還不夠快到阻止電場(chǎng)的加強(qiáng)。強(qiáng)大的電場(chǎng)加速了一些載流子以非常高的速度穿過(guò)耗盡區(qū)。當(dāng)這些載流子碰撞到晶體中的原子時(shí)，他們撞擊松的價(jià)電子且產(chǎn)生了額外的載流子。因?yàn)橐粋€(gè)載流子能通過(guò)撞擊來(lái)產(chǎn)生額外的成千上外的載流子就好像一個(gè)雪球能產(chǎn)生一場(chǎng)雪崩一樣，所以這個(gè)過(guò)程叫avalanche multiplication。

反向擊穿的另一個(gè)機(jī)制是tunneling。Tunneling是一種量子機(jī)制過(guò)程，它能使粒子在不管有任何障礙存在時(shí)都能移動(dòng)一小段距離。Tunneling電流主要取決于耗盡區(qū)寬度和結(jié)上的電壓差。Tunneling引起的反向擊穿稱(chēng)為齊納擊穿。

結(jié)的反向擊穿電壓取決于耗盡區(qū)的寬度。耗盡區(qū)越寬需要越高的擊穿電壓。就如先前討論的一樣，摻雜的越輕，耗盡區(qū)越寬，擊穿電壓越高。當(dāng)擊穿電壓低于5伏時(shí)，耗盡區(qū)太薄了，主要是齊納擊穿。當(dāng)擊穿電壓高于5伏時(shí)，主要是雪崩擊穿。設(shè)計(jì)出的主要工作于反向?qū)ǖ臓顟B(tài)的PN二極管根據(jù)占主導(dǎo)地位的工作機(jī)制分別稱(chēng)為齊納二極管或雪崩二極管。齊納二極管的擊穿電壓低于5伏，而雪崩二極管的擊穿電壓高于5伏。通常工程師們不管他們的工作原理都把他們稱(chēng)為齊納管。因此主要靠雪崩擊穿工作的7V齊納管可能會(huì)使人迷惑不解。

圖1.16是以上所討論的所有的電路符號(hào)。PN結(jié)用一根直線(xiàn)代表陰極，而肖特基二極管和齊納二極管則對(duì)陰極端做了一些修飾。在所有這些圖例中，箭頭的方向都表示了二極管正向偏置下的電流方向。在齊納二極管中，這個(gè)箭頭可能有些誤導(dǎo)，因?yàn)辇R納管通常工作在反向偏置狀態(tài)下。對(duì)于casual observer來(lái)說(shuō)，這個(gè)符號(hào)出現(xiàn)時(shí)旁邊應(yīng)該再插入一句“方向反了”。

圖1.16 PN結(jié)，肖特基，和齊納二極管的電路圖符號(hào)。有些電路圖符號(hào)中箭頭是空心的或半個(gè)箭頭。

齊納管一般有兩種用法(以下IZ為工作電流，UZ為標(biāo)稱(chēng)穩(wěn)壓電壓，UW為實(shí)際工作電壓)：

1 正常工作時(shí)處于"導(dǎo)通"狀態(tài)，IZ≥0.1mA量級(jí)，此時(shí)齊納管起穩(wěn)壓作用，UW≈UZ。

2 正常工作時(shí)處于"截止"狀態(tài)，即UW

常用齊納管分為兩類(lèi)，一、通常所謂的"穩(wěn)壓管"，二、是TVS類(lèi)器件。前者通常是第一種用法，后者通常是第二種用法。但也不絕對(duì)，兩者只是特性參數(shù)各有特點(diǎn)。普通的穩(wěn)壓管同樣可以用作保護(hù)器件，只是響應(yīng)速度差一些，不適合需要抑制極高速度脈沖干擾的場(chǎng)合。

初學(xué)者常犯的幾種錯(cuò)誤：

1. 把齊納管特性想得太美好：當(dāng)UW7V)，那曲線(xiàn)還湊合，換個(gè)低壓的，例如3V的，那實(shí)際曲線(xiàn)真是夠"柔美"的，1.5V電壓時(shí)就有很大電流了，直到IZ增加到數(shù)十mA，UZ才懶洋洋地達(dá)到標(biāo)稱(chēng)值。

2. 用齊納管做保護(hù)的，一不懂世間萬(wàn)事皆有代價(jià)，這里的代價(jià)就是漏電流IR("截止"狀態(tài)下的IZ)：IR>0;二不懂世間萬(wàn)事皆須留有余地，這里的余地就是確保"截止"的電壓余量UM：UM=UZ-UW>0(IR→很小);三不懂世間萬(wàn)事皆有彈性(讓步)，這里的彈性就是導(dǎo)通狀態(tài)下UW隨著IZ增加的增量UP：UP=UW-UZ>0(IR→很大)。而且即使留了余地，付出了代價(jià)，仍然要做讓步。要減小IR，就要提高ΔU，也就是選高UZ的管子，但這樣又會(huì)降低保護(hù)的"力度"。

3. 不明白齊納管動(dòng)態(tài)內(nèi)阻dV/dI>0，即UZ會(huì)隨IZ增加。

從這幾條可以總結(jié)出一些原則：

1. 盡量避免使用低壓齊納管。

2. 用齊納管做保護(hù)要合理選擇UZ，使UWMAX+UM

3. 設(shè)計(jì)電路要有"動(dòng)態(tài)"的概念，電路跟人，跟一切機(jī)器一樣都有反應(yīng)遲鈍的問(wèn)題，區(qū)別只在于"更遲鈍"和"更不遲鈍"。

齊納二極管zener diodes(又叫穩(wěn)壓二極管)，此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。在臨界擊穿點(diǎn)上,反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值，在這個(gè)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(lái)分檔的，由于這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)以便在較高的電壓上使用，通過(guò)串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。 齊納二極管不同于鍺二極管的是：如果反向電壓，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為“偏壓”增加到某個(gè)特殊值，對(duì)于一個(gè)微小偏壓的變化，就會(huì)使電流產(chǎn)生一個(gè)可觀的增加。引起這種效應(yīng)的電壓稱(chēng)為“擊穿電壓”或“齊納電壓”。2DW7型管的擊穿電壓在5.8-6.5V之間，極大電流是30mA。