齐纳二极管原理与操作

齐纳二极管可以使用两种效应。一种称为齐纳击穿，另一种称为冲击或雪崩电离。齐纳效应在 5.5V以下占主导地位，而碰撞电离是该电压以上的主要影响。

这两种效应完全不同，尽管它们产生几乎相同的效应。

齐纳击穿效应:齐纳击穿效应是二极管得名的原因。它是量子力学效应隧穿效应，但当应用于电压基准二极管时，它以发现它的人的名字保留了齐纳的名字。

在大多数情况下，电子包含在晶格中的原子内。在这种状态下，它们处于所谓的价带中。如果在半导体上放置一个大电场，这可能足以将电子拉出原子进入所谓的导带。当它们脱离原子时，它们能够导电，这就是导带的名称。为了使它们从价带进入导带，必须有一定的力将它们拉出来。发现一旦存在一定水平的电场，大量电子被自由拉出，一旦达到一定的反向电压，电流就会突然开始流动。齐纳效应由 Clarence Zener 博士于 1934 年首次提出，并由此得名。

碰撞电离:碰撞电离与齐纳击穿非常不同，它发生在半导体中存在高电场时。电子被强烈吸引并朝向正电位移动。鉴于高电场，它们的速度增加，并且这些高能电子通常会与半导体晶格碰撞。

当这种情况发生时，就会产生空穴-电子对。这个新产生的电子向正电压方向移动，在高电场下被加速，可能与晶格发生碰撞。带正电的空穴向与电子相反的方向移动。如果场足够强，就会发生足够多的碰撞，从而发生称为雪崩击穿的效应。这仅在超过特定场时发生，即当超过该二极管的某个反向电压时，使其在给定电压下反向传导，这正是电压参考二极管所需要的。

二极管中的两种反向击穿效应具有非常相似的特性，但并不相同。在大多数情况下，可以忽略两种效应之间的差异并以相同的方式使用二极管。

8.3.1 二极管操作

与半导体技术的许多其他方面一样，反向传导效应会受到温度变化的影响。发现碰撞电离和齐纳效应具有相反方向的温度系数。在 5.5V以下占主导地位的齐纳效应表现出负温度系数。然而，雪崩效应是 5.5V以上的主要效应，具有正温度系数。

因此，反向电压约为 5.5V的齐纳二极管或电压基准二极管（其中两种效应几乎相同）具有最稳定的整本体温度度系数，因为它们倾向于相互平衡以获得最佳性能。

对于给定的二极管，实际的反向电压是可重复的，并且取决于二极管的内部几何形状和特性。

8.3.2 标准二极管和齐纳二极管操作之间的区别

齐纳电压基准二极管能够在其规格范围内非常可靠地在反向击穿条件下运行。如果传统的 PN 结二极管发生反向击穿，它很可能会受到不可修复的损坏。

当对传统的PN结二极管施加反向电压并增加电压时，它最终会击穿，并且由于雪崩击穿它会受到大电流的影响。如果此电流不受周围电路的限制，二极管很可能因过热而损坏。

齐纳二极管具有几乎相同的特性，只是该器件专门设计用于降低击穿电压。此外，齐纳二极管或电压基准二极管拓扑的设计方式是二极管呈现受控击穿，并允许电流将齐纳二极管两端的电压保持在击穿电压附近。

齐纳二极管广泛用于需要稳定电压的许多不同应用。虽然有两种效应表现出稳定的反向击穿电压，但二极管通常被称为齐纳二极管。

审核编辑：刘清