齊納二極管

穩(wěn)壓二極管，英文名稱Zener diode，又叫齊納二極管。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的現(xiàn)象，制成的起穩(wěn)壓作用的二極管。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體器件。在這臨界擊穿點上，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，因為這種特性，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)就可獲得更高的穩(wěn)定電壓。

原理

穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線的正向特性和普通二極管差不多，反向特性是在反向電壓低于反向擊穿電壓時，反向電阻很大，反向漏電流極小。但是，當反向電壓臨近反向電壓的臨界值時，反向電流驟然增大，稱為擊穿，在這一臨界擊穿點上，反向電阻驟然降至很小值。盡管電流在很大的范圍內(nèi)變化，而二極管兩端的電壓卻基本上穩(wěn)定在擊穿電壓附近，從而實現(xiàn)了二極管的穩(wěn)壓功能。

特點

穩(wěn)壓二極管的特點是工作于反向擊穿狀態(tài)，具有穩(wěn)定的端電壓。與普通二極管不同的是，穩(wěn)壓二極管的工作電流是從負極流向正極，如圖2-58（a）所示。從圖2-58（b）所示穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線可見，穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿后，其端電壓在一定范圍內(nèi)保持不變的原理工作的。只要反向電流不超過其最大工作電流，穩(wěn)壓二極管是不會損壞的。

應用

1）典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

在此電路中，三極管T的基極被穩(wěn)壓 二極管D穩(wěn)定在13V，那么其發(fā)射極就輸出恒定的13-0.7=12.3V電壓了，在一定范圍內(nèi)，無論輸入電壓升高還是降低，無論負載電阻大小變化，輸出電壓都保持不變。這個電路在很多場合下都有應用。7805就是一種串聯(lián)型集成穩(wěn)壓電路，可以輸出5V的電壓。7805-7824可以輸出5-24V電壓。在很多電器上都有應用。

2）電視機里的過壓保護電路

115V是電視機主供電電壓，當電源輸出電壓過高時，D導通，三極管T導通，其集電極電位將由原來的高電平（5V）變?yōu)榈碗娖?，通過待機控制線的電壓使電視機進入待機保護狀態(tài)。

3）電弧抑制電路

在電感線圈上并聯(lián)接入一只合適的穩(wěn)壓二極管（也可接入一只普通二極管原理一樣）的話，當線圈在導通狀態(tài)切斷時，由于其電磁能釋放所產(chǎn)生的高壓就被二極管所吸收，所以當開關斷開時，開關的電弧也就被消除了。這個應用電路在工業(yè)上用得比較多，如一些較大功率的電磁吸控制電路就用到它。

齊納擊穿

當PN結(jié)的摻雜濃度很高時，阻擋層就十分薄。這種阻擋層特別薄的PN結(jié)，只要加上不大的反向電壓，阻擋層內(nèi)部的電場強度就可達到非常高的數(shù)值。這種很強的電場強度可以把阻擋層內(nèi)中性原子的價電子直接從共價鍵中拉出來，變?yōu)樽杂呻娮?，同時產(chǎn)生空穴，這個過程稱為場致激發(fā)。由場致激發(fā)而產(chǎn)生大量的載流子，使PN結(jié)的反向電流劇增，呈現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。這種擊穿通常稱為齊納擊穿。齊納擊穿發(fā)生在摻雜濃度很高的PN結(jié)上，同時在此較低的外加電壓時就會出現(xiàn)這種擊穿。

當反向電壓增大到一定程度時，空間電荷區(qū)內(nèi)就會建立一個很強的電場。這個強電場能把價電子從共價鍵中拉出來，從而在空間電荷區(qū)產(chǎn)生大量電子-空穴對。這些電子-空穴對產(chǎn)生后，空穴被強電場驅(qū)到P區(qū)，電子被強電場驅(qū)到N區(qū)，使反向電流猛增。這種由于強電場的作用，直接產(chǎn)生大量電子-空穴對而使反向電流劇增的現(xiàn)象叫做齊納擊穿。

齊納擊穿常發(fā)生在摻雜濃度比較高的PN結(jié)中，因為此時空間電荷層比較薄，一個很小的反向電壓就可以在空間電荷區(qū)內(nèi)建立一個很強的電場（通常高達108V/cm）。

當溫度升高時，電子熱運動加劇，較小的反向電壓就能把價電子從共價鍵中拉出來，所以溫度上升時，擊穿電壓下降，也就是說，齊納擊穿具有負的溫度系數(shù)。

特點

齊納或隧道擊穿主要取決于空間電荷區(qū)中的最大電場，而在碰撞電離機構(gòu)中既與場強大小有關，也與載流子的碰撞累積過程有關。顯然空間電荷區(qū)愈寬，倍增次數(shù)愈多，因此雪崩擊穿除與電場有關外，還與空間電荷區(qū)的寬度有關。它要求結(jié)厚。而隧道效應要求結(jié)薄。［4］

因為雪崩擊穿是碰撞電離的結(jié)果。如果我們以光照或是快速粒子轟擊等辦法，增加空間電荷區(qū)中的電子和空穴，它們同樣會有倍增效應。而上述外界作用對齊納擊穿則不會有明顯影響。［4］

由隧道效應決定的擊穿電壓，其溫度系數(shù)是負的，即擊穿電壓隨溫度升高而減小，這是由于溫度升高禁帶寬度減小的結(jié)果。而由雪崩倍增決定的擊穿電壓，由于碰撞電離率（電離率表示一個載流子在電場作用下漂移單位距離所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)目）隨溫度升高而減小，其溫度系數(shù)是正的，即擊穿電壓隨溫度升高而增加。

對于摻雜濃度較高勢壘較薄的PN結(jié)，主要是齊納擊穿。摻雜較低因而勢壘較寬的PN結(jié)，主要是雪崩擊穿，而且擊穿電壓比較高。

原理

齊納擊穿的物理過程與雪崩擊穿不同。當反向電壓增大到一定值時，勢壘區(qū)內(nèi)就能建立起很強的電場，它能夠直接將束縛在共價鍵中的價電子拉出來，使勢壘區(qū)產(chǎn)生大量的電子—空穴對，形成較大的反向電流，產(chǎn)生擊穿。把這種在強電場作用下，使勢壘區(qū)中原子直接激發(fā)的擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿。

齊納擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結(jié)中。這是因為摻雜濃度較高的PN結(jié)，空間電荷區(qū)的電荷密度很大，寬度較窄，只要加不大的反向電壓，就能建立起很強的電場，發(fā)生齊納擊穿。

一般說來，擊穿電壓小于6V時所發(fā)生的擊穿為齊納擊穿，高于6V時所發(fā)生的擊穿為雪崩 擊穿。

應用

利用齊納擊穿可做成穩(wěn)壓二極管，又叫齊納二極管。該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體器件。在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很少的數(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，因為這種特性，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。

齊納二極管原理和齊納擊穿

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通（圖1.15）。這個突然的意義重大的反嚮導通就是反向擊穿，如果沒有一些外在的措施來限制電流的話，它可能導致器件的損壞。反向擊穿通常設置了固態(tài)器件的最大工作電壓。然而，如果採取適當?shù)念A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)二極體的反向擊穿。

導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塬子時，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。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。設計出的主要工作于反嚮導通的狀態(tài)的PN二極體根據(jù)占主導地位的工作機制分別稱為齊納二極體或雪崩二極體。齊納二極體的擊穿電壓低于5伏，而雪崩二極體的擊穿電壓高于5伏。通常工程師們不管他們的工作塬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。

實際上，結(jié)的擊穿電壓不僅和它的摻雜特性有關還和它的幾何形狀有關。以上討論分析了一種由兩種均勻摻雜的半導體區(qū)域在一個平面相交的平面結(jié)。儘管有些真正的結(jié)近似這種理想情況，大多數(shù)結(jié)是彎曲的。曲率加強了電場，降低了擊穿電壓。曲率半徑越小，擊穿電壓越低。這個效應對薄結(jié)的擊穿電壓由很大的影響。大多數(shù)肖特基二極體在金屬－硅交界面邊緣有一個很明顯的斷層。電場強化能極大的降低肖特基二極體的測量擊穿電壓，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，而肖特基二極體和齊納二極體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體正向偏置下的電流方向。在齊納二極體中，這個箭頭可能有些誤導，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)時旁邊應該再插入一句“方向反了”。

圖1.16 PN結(jié)，肖特基，和齊納二極體的電路圖符號。有些電路圖符號中箭頭是空心的或半個箭頭。
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