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高，則會發(fā)生過早擊穿或損壞.

然而，齊納二極管b>或“擊穿二極管”，有時也稱為“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)過特殊設(shè)計，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普通的通用二極管，由硅PN結(jié)構(gòu)成，當(dāng)正向偏置時，就是陽極相對于其陰極，它的行為就像通過額定電流的正常信號二極管一樣。

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

這是因為當(dāng)齊納二極管兩端的反向電壓超過器件的額定電壓時，會發(fā)生一個名為 Avalanche Breakdown 的過程。半導(dǎo)體耗盡層和電流開始流過二極管，以限制電壓的增加。

現(xiàn)在流過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）電阻器一旦達到，這個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)定的電壓點稱為“齊納電壓”，（ Vz ），對于齊納二極管，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)電流流過二極管的點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，即二極管陽極連接到負極電源。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)域幾乎是恒定的負電壓，與流過二極管的電流值無關(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，這一事實證明是齊納二極管的一個重要特性，因為它可用于最簡單的電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)用。

調(diào)節(jié)器應(yīng)為與其并聯(lián)的負載提供恒定的輸出電壓，盡管電源電壓波動或負載電流變化，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載電流條件下產(chǎn)生具有低紋波的穩(wěn)定電壓輸出。通過一個小電流從電壓源通過二極管，通過一個合適的限流電阻（ R S ），齊納二極管將傳導(dǎo)足夠的電流來維持電壓降 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)負載值發(fā)生變化時所以平均輸出電壓。通過在整流器輸出端連接如下所示的簡單齊納穩(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 以限制電路中流過的最大電流。

在沒有負載連接到電路的情況下，負載電流將為零，（ I L = 0 ），所有電路電流都通過齊納二極管，齊納二極管反過來消耗其最大功率。當(dāng)負載電阻 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，因為這會增加二極管的功耗要求，因此在選擇適當(dāng)?shù)拇?lián)電阻值時必須小心，以便在無負載或高阻抗條件下不超過齊納的最大額定功率。

負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 。

一個小問題與齊納二極管穩(wěn)定器電路一樣，二極管有時會在直流電源頂部產(chǎn)生電噪聲，因為它試圖穩(wěn)定電壓。通常這對于大多數(shù)應(yīng)用來說不是問題，但可能需要在齊納輸出端添加一個大值去耦電容來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)計電壓調(diào)節(jié)器電路，以在輸入電壓變化或負載電流變化的情況下在負載兩端保持恒定的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)壓器電路計算：

a）。流過齊納二極管的最大電流。

b).串聯(lián)電阻的最小值， R S

c）。負載電流 I L 如果在齊納二極管兩端連接1kΩ的負載電阻。

d）。滿載時的齊納電流 I Z 。

齊納二極管電壓

除了產(chǎn)生單個穩(wěn)定電壓輸出外，齊納二極管還可以與普通硅信號二極管串聯(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 對于7.5V二極管，二極管參考編號 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，但如果輸入信號不是穩(wěn)態(tài)直流但是交流交流波形，齊納二極管如何對不斷變化的信號做出反應(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，因為它們限制或限制輸入AC信號的正（或負）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7.5V限制，則齊納二極管將“截止”來自輸入的過電壓，產(chǎn)生具有平頂?shù)牟ㄐ?，仍保持輸出恒定? 7.5V。請注意，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，齊納二極管會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

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，我們只需使用兩個不同額定值的齊納二極管。請注意，由于增加了正向偏置二極管電壓，輸出實際上會將交流波形限制在+ 8.7V和-6.7V之間。

換句話說，峰峰值電壓為15.4伏而不是預(yù)期的14伏電壓，因為二極管上的正向偏壓電壓降在每個方向上增加了0.7伏。

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

在下一個關(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)來產(chǎn)生光。我們從之前的教程中知道，當(dāng)電荷載流子穿過結(jié)點時，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以光子形式消散，但我們無法看到它們。

如果我們在結(jié)點周圍放置半透明透鏡，將產(chǎn)生可見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)出各種顏色和波長的光（光子）。