雪崩和齊納效應(yīng)

正向偏置時(shí)，齊納二極管的行為類(lèi)似于帶有 PN 結(jié)的普通硅二極管，允許電流從陽(yáng)極流向陰極。然而，與在反向偏置時(shí)阻止電流流動(dòng)的普通二極管不同，在達(dá)到某個(gè)反向電壓閾值時(shí)，齊納二極管開(kāi)始以相反方向流動(dòng)的電流導(dǎo)通。

當(dāng)施加到齊納二極管的反向電壓超過(guò)元件典型的限制閾值時(shí)，半導(dǎo)體耗盡區(qū)會(huì)發(fā)生稱(chēng)為雪崩擊穿的過(guò)程，隨后二極管會(huì)產(chǎn)生電流以限制電壓的增加。在此過(guò)程中，自由電子與相鄰原子的碰撞會(huì)產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生熱量并可能對(duì)器件造成不可逆的損壞。

然而，如果二極管制造時(shí)具有非常薄且高度摻雜的耗盡區(qū)，則有可能產(chǎn)生反向電流，作為在結(jié)中產(chǎn)生高強(qiáng)度電場(chǎng)的效果。這個(gè)過(guò)程（圖 1）稱(chēng)為齊納擊穿，是可逆的，不會(huì)損壞二極管。齊納二極管上的電壓開(kāi)始穩(wěn)定的水平軸上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于所謂的齊納電壓 (V Z )，其值可以在幾伏到幾百伏之間。在摻雜和二極管制造過(guò)程中，可以仔細(xì)控制傳導(dǎo)曲線的斜率和觸發(fā)該過(guò)程的最小反向電流值，容差小于 1%。

圖 1：齊納二極管的典型 IV 特性

齊納穩(wěn)壓器

齊納二極管提供比橋式整流器電路和濾波電容器更高的穩(wěn)定水平（電源）。特別是，通過(guò)適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體摻雜，可以實(shí)現(xiàn)圖 1的齊納擊穿曲線的斜率實(shí)際上是垂直的，從而獲得穩(wěn)定電壓，隨著輸入電壓的變化，紋波可忽略不計(jì)且恒定。圖 2顯示了最簡(jiǎn)單的基于齊納二極管的穩(wěn)壓器的原理圖。已使用V Z = 12 V 的齊納二極管，而串聯(lián)電阻R的值可以如圖所示確定，其中V i是輸入電壓，V o是穩(wěn)定的輸出電壓 (12 V)，而I L是負(fù)載吸收的電流。

圖 2：帶齊納二極管的穩(wěn)壓器

空載時(shí)，I L = 0，電路中的所有電流都將通過(guò)齊納二極管，而齊納二極管又會(huì)耗散其最大功率。因此，需要仔細(xì)選擇串聯(lián)電阻值，如圖所示，以免超過(guò)齊納二極管在空載時(shí)所能承受的最大功率。該電路能夠產(chǎn)生幾十毫安的電流，常用于晶體管基極的極化或作為運(yùn)算放大器的輸入，從而獲得較高的電流值。圖 3顯示了一個(gè)晶體管并聯(lián)穩(wěn)壓器，能夠擴(kuò)展負(fù)載吸收的功率。輸出電壓V O由下式給出：V O = VZ + V BE。

圖 3：具有齊納二極管和晶體管的并聯(lián)穩(wěn)壓器

標(biāo)準(zhǔn)齊納電壓

在市場(chǎng)上，齊納二極管的電壓范圍從 1 V 到幾百伏不等。對(duì)于每個(gè)電壓值，通常有一個(gè)或多個(gè)功率值可用，范圍從略低于 0.5 W 到超過(guò) 5 W。最常見(jiàn)的齊納二極管系列是小信號(hào)系列 BZX55，其V Z電壓在 2.4 V 和 75 V 之間和 500 mW 的最大功率。BZX85 系列齊納功率二極管也被廣泛使用，其電壓V Z介于 2.7 V 和 100 V 之間，最大功率為 1,300 mW。

帶齊納二極管的串聯(lián)穩(wěn)壓器

圖 4顯示了帶有齊納二極管的串聯(lián)穩(wěn)壓器的最簡(jiǎn)單示例。晶體管作為電壓跟隨器連接，輸出電壓比齊納電壓低約 0.6 至 0.7 V。電阻R 的大小必須使齊納二極管正確極化并且 Q1 的基極電流足以使其導(dǎo)通。為防止齊納管上的電流下降到與齊納效應(yīng)不兼容的值，可以用達(dá)林頓管代替小功率晶體管2N2222。

圖 4：具有齊納二極管和晶體管的串聯(lián)穩(wěn)壓器

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