穩(wěn)壓二極管工作原理

在通常情況下，反向偏置的PN結(jié)中只有一個很小的電流。這個漏電流一直保持一個常數(shù)，直到反向電壓超過某個特定的值，超過這個值之后PN結(jié)突然開始有大電流導(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?shù)念A(yù)防措施來限制電流的話，反向擊穿的結(jié)能作為一個非常穩(wěn)定的參考電壓。

圖1.15 PN結(jié)二極管的反向擊穿。

導(dǎo)致反向擊穿的一個機制是avalanche multiplicatiON。考慮一個反向偏置的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的加強。強大的電場加速了一些載流子以非常高的速度穿過耗盡區(qū)。當這些載流子碰撞到晶體中的原子時，他們撞擊松的價電子且產(chǎn)生了額外的載流子。因為一個載流子能通過撞擊來產(chǎn)生額外的成千上外的載流子就好像一個雪球能產(chǎn)生一場雪崩一樣，所以這個過程叫avalanche multiplication。

反向擊穿的另一個機制是tunneling。Tunneling是一種量子機制過程，它能使粒子在不管有任何障礙存在時都能移動一小段距離。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。當擊穿電壓低于5伏時，耗盡區(qū)太薄了，主要是齊納擊穿。當擊穿電壓高于5伏時，主要是雪崩擊穿。設(shè)計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)地位的工作機制分別稱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為齊納管。因此主要靠雪崩擊穿工作的7V齊納管可能會使人迷惑不解。

圖1.16是以上所討論的所有的電路符號。PN結(jié)用一根直線代表陰極，而肖特基二極管和齊納二極管則對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，這個箭頭可能有些誤導(dǎo)，因為齊納管通常工作在反向偏置狀態(tài)下。對于casual observer來說，這個符號出現(xiàn)時旁邊應(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。有些電路圖符號中箭頭是空心的或半個箭頭。

齊納管一般有兩種用法(以下IZ為工作電流，UZ為標稱穩(wěn)壓電壓，UW為實際工作電壓)：

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

2 正常工作時處于"截止"狀態(tài)，即UW

常用齊納管分為兩類，一、通常所謂的"穩(wěn)壓管"，二、是TVS類器件。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，兩者只是特性參數(shù)各有特點。普通的穩(wěn)壓管同樣可以用作保護器件，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合。

初學(xué)者常犯的幾種錯誤：

1. 把齊納管特性想得太美好：當UW7V)，那曲線還湊合，換個低壓的，例如3V的，那實際曲線真是夠"柔美"的，1.5V電壓時就有很大電流了，直到IZ增加到數(shù)十mA，UZ才懶洋洋地達到標稱值。

2. 用齊納管做保護的，一不懂世間萬事皆有代價，這里的代價就是漏電流IR("截止"狀態(tài)下的IZ)：IR>0;二不懂世間萬事皆須留有余地，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，仍然要做讓步。要減小IR，就要提高ΔU，也就是選高UZ的管子，但這樣又會降低保護的"力度"。

3. 不明白齊納管動態(tài)內(nèi)阻dV/dI>0，即UZ會隨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. 用齊納管做保護要合理選擇UZ，使UWMAX+UM

3. 設(shè)計電路要有"動態(tài)"的概念，電路跟人，跟一切機器一樣都有反應(yīng)遲鈍的問題，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。在臨界擊穿點上,反向電阻降低到一個很小的數(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，由于這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用。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。 齊納二極管不同于鍺二極管的是：如果反向電壓，有時簡稱為“偏壓”增加到某個特殊值，對于一個微小偏壓的變化，就會使電流產(chǎn)生一個可觀的增加。引起這種效應(yīng)的電壓稱為“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。