齐纳二极管

　齐纳二极管

稳压二极管，英文名称Zener diode，又叫齐纳二极管。利用pn结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压。

原理

稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多，反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小。但是，当反向电压临近反向电压的临界值时，反向电流骤然增大，称为击穿，在这一临界击穿点上，反向电阻骤然降至很小值。尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近，从而实现了二极管的稳压功能。

特点

稳压二极管的特点是工作于反向击穿状态，具有稳定的端电压。与普通二极管不同的是，稳压二极管的工作电流是从负极流向正极，如图2-58（a）所示。从图2-58（b）所示稳压二极管的伏安特性曲线可见，稳压二极管是利用PN结反向击穿后，其端电压在一定范围内保持不变的原理工作的。只要反向电流不超过其最大工作电流，稳压二极管是不会损坏的。

应用

1）典型的串联型稳压电路

在此电路中，三极管T的基极被稳压 二极管D稳定在13V，那么其发射极就输出恒定的13-0.7=12.3V电压了，在一定范围内，无论输入电压升高还是降低，无论负载电阻大小变化，输出电压都保持不变。这个电路在很多场合下都有应用。7805就是一种串联型集成稳压电路，可以输出5V的电压。7805-7824可以输出5-24V电压。在很多电器上都有应用。

2）电视机里的过压保护电路

115V是电视机主供电电压，当电源输出电压过高时，D导通，三极管T导通，其集电极电位将由原来的高电平（5V）变为低电平，通过待机控制线的电压使电视机进入待机保护状态。

3）电弧抑制电路

在电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管（也可接入一只普通二极管原理一样）的话，当线圈在导通状态切断时，由于其电磁能释放所产生的高压就被二极管所吸收，所以当开关断开时，开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多，如一些较大功率的电磁吸控制电路就用到它。

齐纳击穿

当PN结的掺杂浓度很高时，阻挡层就十分薄。这种阻挡层特别薄的PN结，只要加上不大的反向电压，阻挡层内部的电场强度就可达到非常高的数值。这种很强的电场强度可以把阻挡层内中性原子的价电子直接从共价键中拉出来，变为自由电子，同时产生空穴，这个过程称为场致激发。由场致激发而产生大量的载流子，使PN结的反向电流剧增，呈现反向击穿现象。这种击穿通常称为齐纳击穿。齐纳击穿发生在掺杂浓度很高的PN结上，同时在此较低的外加电压时就会出现这种击穿。

当反向电压增大到一定程度时，空间电荷区内就会建立一个很强的电场。这个强电场能把价电子从共价键中拉出来，从而在空间电荷区产生大量电子-空穴对。这些电子-空穴对产生后，空穴被强电场驱到P区，电子被强电场驱到N区，使反向电流猛增。这种由于强电场的作用，直接产生大量电子-空穴对而使反向电流剧增的现象叫做齐纳击穿。

齐纳击穿常发生在掺杂浓度比较高的PN结中，因为此时空间电荷层比较薄，一个很小的反向电压就可以在空间电荷区内建立一个很强的电场（通常高达108V/cm）。

当温度升高时，电子热运动加剧，较小的反向电压就能把价电子从共价键中拉出来，所以温度上升时，击穿电压下降，也就是说，齐纳击穿具有负的温度系数。

特点

齐纳或隧道击穿主要取决于空间电荷区中的最大电场，而在碰撞电离机构中既与场强大小有关，也与载流子的碰撞累积过程有关。显然空间电荷区愈宽，倍增次数愈多，因此雪崩击穿除与电场有关外，还与空间电荷区的宽度有关。它要求结厚。而隧道效应要求结薄。［4］

因为雪崩击穿是碰撞电离的结果。如果我们以光照或是快速粒子轰击等办法，增加空间电荷区中的电子和空穴，它们同样会有倍增效应。而上述外界作用对齐纳击穿则不会有明显影响。［4］

由隧道效应决定的击穿电压，其温度系数是负的，即击穿电压随温度升高而减小，这是由于温度升高禁带宽度减小的结果。而由雪崩倍增决定的击穿电压，由于碰撞电离率（电离率表示一个载流子在电场作用下漂移单位距离所产生的电子空穴对数目）随温度升高而减小，其温度系数是正的，即击穿电压随温度升高而增加。

对于掺杂浓度较高势垒较薄的PN结，主要是齐纳击穿。掺杂较低因而势垒较宽的PN结，主要是雪崩击穿，而且击穿电压比较高。

原理

齐纳击穿的物理过程与雪崩击穿不同。当反向电压增大到一定值时，势垒区内就能建立起很强的电场，它能够直接将束缚在共价键中的价电子拉出来，使势垒区产生大量的电子—空穴对，形成较大的反向电流，产生击穿。把这种在强电场作用下，使势垒区中原子直接激发的击穿现象称为齐纳击穿。

齐纳击穿一般发生在掺杂浓度较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较高的PN结，空间电荷区的电荷密度很大，宽度较窄，只要加不大的反向电压，就能建立起很强的电场，发生齐纳击穿。

一般说来，击穿电压小于6V时所发生的击穿为齐纳击穿，高于6V时所发生的击穿为雪崩 击穿。

应用

利用齐纳击穿可做成稳压二极管，又叫齐纳二极管。该二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很少的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。

稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。

齐纳二极管原理和齐纳击穿

在通常情况下，反向偏置的PN结中只有一个很小的电流。这个漏电流一直保持一个常数，直到反向电压超过某个特定的值，超过这个值之后PN结突然开始有大电流导通（图1.15）。这个突然的意义重大的反嚮导通就是反向击穿，如果没有一些外在的措施来限制电流的话，它可能导致器件的损坏。反向击穿通常设置了固态器件的最大工作电压。然而，如果採取适当的预防措施来限制电流的话，反向击穿的结能作为一个非常稳定的参考电压。

图1.15 PN结二极体的反向击穿。

导致反向击穿的一个机制是avalanche mulTIplicaTIon。考虑一个反向偏置的PN结。耗尽区随着偏置上升而加宽，但还不够快到阻止电场的加强。强大的电场加速了一些载流子以非常高的速度穿过耗尽区。当这些载流子碰撞到晶体中的塬子时，他们撞击松的价电子且产生了额外的载流子。因为一个载流子能通过撞击来产生额外的成千上外的载流子就好像一个雪球能产生一场雪崩一样，所以这个过程叫avalanche mulTIplicaTIon。

反向击穿的另一个机制是tunneling。Tunneling是一种量子机制过程，它能使粒子在不管有任何障碍存在时都能移动一小段距离。如果耗尽区足够薄，那么载流子就能靠tunneling跳跃过去。Tunneling电流主要取决于耗尽区宽度和结上的电压差。Tunneling引起的反向击穿称为齐纳击穿。

结的反向击穿电压取决于耗尽区的宽度。耗尽区越宽需要越高的击穿电压。就如先前讨论的一样，掺杂的越轻，耗尽区越宽，击穿电压越高。当击穿电压低于5伏时，耗尽区太薄了，主要是齐纳击穿。当击穿电压高于5伏时，主要是雪崩击穿。设计出的主要工作于反嚮导通的状态的PN二极体根据占主导地位的工作机制分别称为齐纳二极体或雪崩二极体。齐纳二极体的击穿电压低于5伏，而雪崩二极体的击穿电压高于5伏。通常工程师们不管他们的工作塬理都把他们称为齐纳管。因此主要靠雪崩击穿工作的7V齐纳管可能会使人迷惑不解。

实际上，结的击穿电压不仅和它的掺杂特性有关还和它的几何形状有关。以上讨论分析了一种由两种均匀掺杂的半导体区域在一个平面相交的平面结。儘管有些真正的结近似这种理想情况，大多数结是弯曲的。曲率加强了电场，降低了击穿电压。曲率半径越小，击穿电压越低。这个效应对薄结的击穿电压由很大的影响。大多数肖特基二极体在金属－硅交界面边缘有一个很明显的断层。电场强化能极大的降低肖特基二极体的测量击穿电压，除非有特别的措施能削弱Schottky barrier边缘的电场。

图1.16是以上所讨论的所有的电路符号。PN结用一根直线代表阴极，而肖特基二极体和齐纳二极体则对阴极端做了一些修饰。在所有这些图例中，箭头的方向都表示了二极体正向偏置下的电流方向。在齐纳二极体中，这个箭头可能有些误导，因为齐纳管通常工作在反向偏置状态下。对于casual observer来说，这个符号出现时旁边应该再插入一句“方向反了”。

图1.16 PN结，肖特基，和齐纳二极体的电路图符号。有些电路图符号中箭头是空心的或半个箭头。