齊納二極管原理及特性

半導(dǎo)體二極管阻止反向電流，但如果施加的反向電壓變得過(guò)高，則會(huì)發(fā)生過(guò)早擊穿或損壞.

然而，齊納二極管b>或“擊穿二極管”，有時(shí)也稱為“擊穿二極管”，與標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)二極管基本相同，但它們經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，具有低且指定的反向擊穿電壓，它利用了任何反向電壓都施加在它上面。

齊納二極管的行為就像一個(gè)普通的通用二極管，由硅PN結(jié)構(gòu)成，當(dāng)正向偏置時(shí)，就是陽(yáng)極相對(duì)于其陰極，它的行為就像通過(guò)額定電流的正常信號(hào)二極管一樣。

然而，與反向偏置時(shí)阻止任何電流通過(guò)自身的傳統(tǒng)二極管不同，陰極變?yōu)殛帢O比陽(yáng)極更正，一旦反向電壓達(dá)到預(yù)定值，齊納二極管開(kāi)始反向?qū)ā?/p>

這是因?yàn)楫?dāng)齊納二極管兩端的反向電壓超過(guò)器件的額定電壓時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)名為 Avalanche Breakdown 的過(guò)程。半導(dǎo)體耗盡層和電流開(kāi)始流過(guò)二極管，以限制電壓的增加。

現(xiàn)在流過(guò)齊納二極管的電流急劇增加到最大電路值（通常受一系列限制）電阻器一旦達(dá)到，這個(gè)反向飽和電流在很寬的反向電壓范圍內(nèi)保持相當(dāng)穩(wěn)定。齊納二極管兩端的電壓變得穩(wěn)定的電壓點(diǎn)稱為“齊納電壓”，（ Vz ），對(duì)于齊納二極管，該電壓的范圍可以從小于1伏到幾百伏。

在二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的摻雜階段，齊納電壓觸發(fā)電流流過(guò)二極管的點(diǎn)可以非常精確地控制（小于1％的容差），使二極管具有特定的齊納擊穿電壓，（ Vz ），例如，4.3V或7.5V。 IV曲線上的齊納擊穿電壓幾乎是垂直直線。

齊納二極管IV特性

齊納二極管用于“反向偏壓”或反向擊穿模式，即二極管陽(yáng)極連接到負(fù)極電源。從上面的IV特性曲線可以看出，齊納二極管的反向偏置特性區(qū)域幾乎是恒定的負(fù)電壓，與流過(guò)二極管的電流值無(wú)關(guān)，即使電流變化很大，也幾乎保持不變。齊納二極管電流保持在擊穿電流 I Z（min） 和最大額定電流 I Z（max）之間。

這種控制自身的能力可用于調(diào)節(jié)或穩(wěn)定電壓源以防止電源或負(fù)載變化。擊穿區(qū)域中二極管兩端的電壓幾乎恒定，這一事實(shí)證明是齊納二極管的一個(gè)重要特性，因?yàn)樗捎糜谧詈?jiǎn)單的電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)用。

調(diào)節(jié)器應(yīng)為與其并聯(lián)的負(fù)載提供恒定的輸出電壓，盡管電源電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化，齊納二極管將繼續(xù)調(diào)節(jié)電壓，直到二極管電流降至低于反向擊穿區(qū)域的最小 I Z（min） 值。

齊納二極管穩(wěn)壓器

齊納二極管可用于在變化的負(fù)載電流條件下產(chǎn)生具有低紋波的穩(wěn)定電壓輸出。通過(guò)一個(gè)小電流從電壓源通過(guò)二極管，通過(guò)一個(gè)合適的限流電阻（ R S ），齊納二極管將傳導(dǎo)足夠的電流來(lái)維持電壓降 Vout 。

我們從前面的教程中記得，半波或全波整流器的直流輸出電壓包含疊加在直流電壓上的紋波，并且當(dāng)負(fù)載值發(fā)生變化時(shí)所以平均輸出電壓。通過(guò)在整流器輸出端連接如下所示的簡(jiǎn)單齊納穩(wěn)定器電路，可以產(chǎn)生更穩(wěn)定的輸出電壓。

齊納二極管穩(wěn)壓器

電阻 R S 與齊納二極管串聯(lián)，以限制電流通過(guò)二極管的電流， V S 在組合中連接。穩(wěn)定輸出電壓 V out 取自齊納二極管。齊納二極管的陰極端子連接到直流電源的正軌，因此它被反向偏置并將在其擊穿狀態(tài)下工作。選擇電阻 R S 以限制電路中流過(guò)的最大電流。

在沒(méi)有負(fù)載連接到電路的情況下，負(fù)載電流將為零，（ I L = 0 ），所有電路電流都通過(guò)齊納二極管，齊納二極管反過(guò)來(lái)消耗其最大功率。當(dāng)負(fù)載電阻 R L R S 的一小部分將導(dǎo)致更大的二極管電流>連接且大，因?yàn)檫@會(huì)增加二極管的功耗要求，因此在選擇適當(dāng)?shù)拇?lián)電阻值時(shí)必須小心，以便在無(wú)負(fù)載或高阻抗條件下不超過(guò)齊納的最大額定功率。

負(fù)載與齊納二極管并聯(lián)，因此 R L 上的電壓始終與齊納電壓相同，（ V <子> - [R = V <子>? ）。存在最小齊納電流，對(duì)于該齊納電流，電壓的穩(wěn)定是有效的，并且齊納電流必須始終保持高于在其擊穿區(qū)域內(nèi)的負(fù)載下操作的該值。電流的上限當(dāng)然取決于設(shè)備的額定功率。電源電壓 V S 必須大于 V Z 。

一個(gè)小問(wèn)題與齊納二極管穩(wěn)定器電路一樣，二極管有時(shí)會(huì)在直流電源頂部產(chǎn)生電噪聲，因?yàn)樗噲D穩(wěn)定電壓。通常這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，但可能需要在齊納輸出端添加一個(gè)大值去耦電容來(lái)提供額外的平滑效果。

然后總結(jié)一下。齊納二極管始終在反向偏置條件下工作?？梢允褂谬R納二極管設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器電路，以在輸入電壓變化或負(fù)載電流變化的情況下在負(fù)載兩端保持恒定的DC輸出電壓。齊納電壓調(diào)節(jié)器由一個(gè)限流電阻 R S 組成，與輸入電壓 V S 串聯(lián)，在這種反向偏置條件下，齊納二極管與負(fù)載 R L 并聯(lián)連接。穩(wěn)定輸出電壓始終選擇與二極管的擊穿電壓 V Z 相同。

齊納二極管示例No1

需要從12V直流電源輸入源生產(chǎn)5.0V穩(wěn)定電源。齊納二極管的最大額定功率 P Z 為2W。使用上面的齊納穩(wěn)壓器電路計(jì)算：

a）。流過(guò)齊納二極管的最大電流。

b).串聯(lián)電阻的最小值， R S

c）。負(fù)載電流 I L 如果在齊納二極管兩端連接1kΩ的負(fù)載電阻。

d）。滿載時(shí)的齊納電流 I Z 。

齊納二極管電壓

除了產(chǎn)生單個(gè)穩(wěn)定電壓輸出外，齊納二極管還可以與普通硅信號(hào)二極管串聯(lián)在一起，以產(chǎn)生各種不同的參考電壓輸出值如下所示。

齊納二極管串聯(lián)連接

可以選擇各個(gè)齊納二極管的值以適應(yīng)應(yīng)用，而硅二極管在正向偏置條件下總是下降約0.6-0.7V。電源電壓 Vin 當(dāng)然必須高于最大輸出參考電壓，在上面的示例中，這是19v。

典型的齊納二極管一般電子電路是500mW， BZX55 系列或更大的1.3W， BZX85 系列是齊納電壓，例如 C7V5 對(duì)于7.5V二極管，二極管參考編號(hào) BZX55C7V5 。

500mW系列齊納二極管的電壓范圍約為2.4至100伏，通常具有相同的序列用于5％（E24）電阻系列的值，這些小但非常有用的二極管具有單獨(dú)的額定電壓，如下表所示。

齊納二極管標(biāo)準(zhǔn)齊納電壓

齊納二極管鉗位電路

到目前為止，我們已經(jīng)研究了齊納二極管是如何形成的用于調(diào)節(jié)恒定直流電源，但如果輸入信號(hào)不是穩(wěn)態(tài)直流但是交流交流波形，齊納二極管如何對(duì)不斷變化的信號(hào)做出反應(yīng)。

二極管限幅和鉗位電路是用于形成或修改輸入AC波形（或任何正弦波），根據(jù)電路布置產(chǎn)生不同形狀的輸出波形。二極管限幅器電路也稱為限幅器，因?yàn)樗鼈兿拗苹蛳拗戚斎階C信號(hào)的正（或負(fù)）部分。由于齊納鉗位電路限制或截止波形的一部分，它們主要用于電路保護(hù)或波形整形電路。

例如，如果我們想將輸出波形剪切為+7.5 V，我們將使用7.5V齊納二極管。如果輸出波形試圖超過(guò)7.5V限制，則齊納二極管將“截止”來(lái)自輸入的過(guò)電壓，產(chǎn)生具有平頂?shù)牟ㄐ?，仍保持輸出恒定? 7.5V。請(qǐng)注意，在正向偏置條件下，齊納二極管仍是二極管，當(dāng)交流波形輸出低于-0.7V時(shí)，齊納二極管會(huì)像任何正常的硅二極管一樣“導(dǎo)通”，并將輸出限制在-0.7V，如圖所示下方。

方波信號(hào)

背靠背連接的齊納二極管可用作交流穩(wěn)壓器產(chǎn)生什么被戲稱為“窮人的方波發(fā)生器”。使用這種配置，我們可以在7.5V齊納二極管的正值+ 8.2V和負(fù)值-8.2V之間剪切波形。

因此，例如，如果我們想要剪切輸出波形在兩個(gè)不同的最小值和最大值之間，例如+ 8V和-6V，我們只需使用兩個(gè)不同額定值的齊納二極管。請(qǐng)注意，由于增加了正向偏置二極管電壓，輸出實(shí)際上會(huì)將交流波形限制在+ 8.7V和-6.7V之間。

換句話說(shuō)，峰峰值電壓為15.4伏而不是預(yù)期的14伏電壓，因?yàn)槎O管上的正向偏壓電壓降在每個(gè)方向上增加了0.7伏。

這種類型的限幅器配置對(duì)于保護(hù)電子電路免受過(guò)電壓是相當(dāng)普遍的。兩個(gè)齊納二極管通常放置在電源輸入端子上，在正常工作期間，其中一個(gè)齊納二極管“關(guān)閉”，二極管幾乎沒(méi)有影響。但是，如果輸入電壓波形超過(guò)其極限，則齊納二極管變?yōu)椤癘N”并鉗位輸入以保護(hù)電路。

在下一個(gè)關(guān)于二極管的教程中，我們將看看使用二極管的正向偏置PN結(jié)來(lái)產(chǎn)生光。我們從之前的教程中知道，當(dāng)電荷載流子穿過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí)，電子與空穴結(jié)合，能量以熱量的形式消失，但是這些能量中的一部分會(huì)以光子形式消散，但我們無(wú)法看到它們。

如果我們?cè)诮Y(jié)點(diǎn)周圍放置半透明透鏡，將產(chǎn)生可見(jiàn)光并且二極管成為光源。這種效應(yīng)產(chǎn)生了另一種通常稱為發(fā)光二極管的二極管，利用這種發(fā)光特性發(fā)出各種顏色和波長(zhǎng)的光（光子）。