穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用還是滿頭問號(hào)？請這樣理解！

時(shí)間：2020-06-03 21:29:50

關(guān)鍵字：穩(wěn)壓二極管

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[導(dǎo)讀]齊納二極管（Zener diode），又叫穩(wěn)壓二極管，利用PN結(jié)反向擊穿狀態(tài)，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變，因此，常用來制成起穩(wěn)壓作用的二極管。很多初學(xué)者常常不能從根本上很好地理解其工作過程，因此，在應(yīng)用上帶來困惑。在通常情況下，反向偏置的P

齊納二極管（Zener diode），又叫穩(wěn)壓二極管，利用PN結(jié)反向擊穿狀態(tài)，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變，因此，常用來制成起穩(wěn)壓作用的二極管。很多初學(xué)者常常不能從根本上很好地理解其工作過程，因此，在應(yīng)用上帶來困惑。

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)，直到反向電壓超過某個(gè)特定的值，超過這個(gè)值之后PN結(jié)突然開始有大電流導(dǎo)通（圖1）。這個(gè)突然的意義重大的反向?qū)ň褪欠聪驌舸?，如果沒有一些外在的措施來限制電流的話，它可能導(dǎo)致器件的損壞。

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)防措施來限制電流的話，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. 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（雪崩倍增）。考慮一個(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的加強(qiáng)。強(qiáng)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(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)載流子能通過撞擊來產(chǎn)生額外的成千上外的載流子就好像一個(gè)雪球能產(chǎn)生一場雪崩一樣，所以這個(gè)過程叫avalanche multiplication。

反向擊穿的另一個(gè)機(jī)制是tunneling（隧道效應(yīng)）。 Tunneling是一種量子機(jī)制過程，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。如果耗盡區(qū)足夠薄，那么載流子就能靠tunneling跳躍過去。 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(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(huì)使人迷惑不解。

實(shí)際上，結(jié)的擊穿電壓不僅和它的摻雜特性有關(guān)還和它的幾何形狀有關(guān)。以上討論分析了一種由兩種均勻摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域在一個(gè)平面相交的平面結(jié)。盡管有些真正的結(jié)近似這種理想情況，大多數(shù)結(jié)是彎曲的。曲率加強(qiáng)了電場，降低了擊穿電壓。曲率半徑越小，擊穿電壓越低。這個(gè)效應(yīng)對薄結(jié)的擊穿電壓有很大的影響。大多數(shù)肖特基二極管在金屬－硅交界面邊緣有一個(gè)很明顯的斷層。電場強(qiáng)化能極大的降低肖特基二極管的測量擊穿電壓，除非有特別的措施能削弱Schottky barrier邊緣的電場。

圖2是以上所討論的所有的電路符號(hào)。 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(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。對于casual observer來說，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2 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

經(jīng)?？吹接袉栮P(guān)于穩(wěn)壓管（齊納管）的問題，所以略做總結(jié):

齊納管一般有兩種用法（以下IZ為工作電流，UZ為標(biāo)稱穩(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

其實(shí)常用齊納管主要分兩類，一類就是通常所謂的"穩(wěn)壓管"，另一類是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(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合。 TVS也可以拿來當(dāng)穩(wěn)壓管用，當(dāng)然也有不合適的。

總結(jié)一下，初學(xué)者常犯如下幾種錯(cuò)誤：

1．把齊納管特性想得太美好：當(dāng)UW7V），那曲線還湊合，換個(gè)低壓的，例如3V的，那實(shí)際曲線真是夠"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)稱值，簡直就是個(gè)拋物線嘛。

2．用齊納管做保護(hù)的，一不懂世間萬事皆有代價(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?。?；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(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。這就不多說了。

4．不明白齊納管的反應(yīng)是比較遲鈍的，UW變化了，IZ并不會(huì)立即跟著變，而是有延遲。而且有結(jié)電容，而且結(jié)電容有時(shí)還相當(dāng)大。按教科書上的電路圖，把齊納管接到運(yùn)放反饋臂上做限幅，還為自己能靈活運(yùn)用運(yùn)放的負(fù)反饋技術(shù)而沾沾自喜。但輸入個(gè)幾MHz的方波后，發(fā)現(xiàn)輸出全不是那么回事，就懵了。

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)遲鈍的問題，區(qū)別只在于"更遲鈍"和"更不遲鈍"。

4．記住墨菲定律："事情凡是能夠更糟糕的，就一定會(huì)更糟糕"。

附：穩(wěn)壓管典型穩(wěn)壓電路分析

下圖中D1為穩(wěn)壓二極管，與負(fù)載R2并聯(lián)，R1為限流電阻。

若電網(wǎng)電壓升高，即電路的輸入電壓Vin也隨之升高，引起負(fù)載電壓Vout升高。由于穩(wěn)壓管D1與負(fù)載R2并聯(lián)，Vin只要有一點(diǎn)增長，就會(huì)使流過穩(wěn)壓管的電流急劇增加，使得I也增大，限流電阻R1上的電壓降增大，從而抵消了Vout的升高，保持負(fù)載電壓Vout基本不變。反之，若電網(wǎng)電壓降低，引起Vin下降，造成Vout 也下降，則穩(wěn)壓管中的電流急劇減小，使得I減小，R1上的壓降也減小，從而抵消了Vin的下降，保持負(fù)載電壓Vout基本不變。若Vin不變而負(fù)載電流增加，則R1上的壓降增加，造成負(fù)載電壓Vout下降。 Vout只要下降一點(diǎn)點(diǎn)，穩(wěn)壓管中的電流就迅速減小，使R1上的壓降再減小下來，從而保持R1上的壓降基本不變，使負(fù)載電壓Vout得以穩(wěn)定。可以看出，穩(wěn)壓管起著電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，而限流電阻起著電壓調(diào)整作用。綜上可見穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻越小，限流電阻越大，輸出電壓的穩(wěn)定性越好。

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