一文帮你搞定齐纳二极管

齐纳二极管 (又叫稳压二极管)，是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。其伏安特性,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。

齐纳二极管的基本机制

齐纳二极管作为二极管中的一种，P型半导体和N型半导体融合在一起形成PN结，在PN结周围，形成具有反相离子的耗尽层。

它与简单二极管之间的区别主要是：

1、掺杂程度：简单二极管是中度掺杂，齐纳二极管是重掺杂，以实现更高的击穿电压。掺杂程度的不同这有助于它们在不同电压水平下工作的规格。

2、导电情况：由于齐纳二极管高掺杂，与简单二极管的PN结相比，齐纳二极管PN结的耗尽层很薄，这为齐纳二极管提供了特殊的特性，在正向和反向偏置条件下都可以导电。

齐纳二极管实物图和电路符号

齐纳二极管电路图

齐纳二极管电路符号图

齐纳二极管的工作原理

齐纳二极管在正向偏置时的作用类似于普通二极管。然后，一旦反向电压等于其额定电压，就会允许电流反向流动。

齐纳二极管直流电压表示图

击穿工作的齐纳二极管充当电压调节器，因为它在指定的反向电流值范围内跨其端子保持几乎恒定的电压，该电压等于齐纳电压。由反向击穿产生的齐纳二极管两端的恒定电压降由直流电压符号表示。

齐纳二极管的正向偏置

齐纳二极管的正向特性类似于简单的二极管，正向电流是正向压降的指数函数。电压降的微小变化会导致电流快速上升。通常，PN 结上 0.8伏的电压降足以使齐纳二极管正向偏置。正向偏置的齐纳二极管如下所示：

正向偏置齐纳二极管

齐纳二极管反向偏置

普通二极管在反向偏置模式下工作时，不会有电流流过。在这种情况下，大量电子流可能会损坏二极管。然而，在齐纳二极管中，由于PN结的薄耗尽层产生的强电场而发生齐纳击穿。发生齐纳击穿的电压称为VZ（齐纳电压）。

根据应用和电压要求，生产的齐纳二极管具有不同级别的齐纳电压。一旦发生齐纳击穿，反向电压的进一步增加不会导致任何进一步的电压下降，并且在一定的电压水平上保持恒定，直到发生雪崩击穿。

简而言之，对于反向偏置的齐纳二极管，它从0V到齐纳电压 (VZ )保持关闭（少量电流流动）。从 VZ到雪崩击穿，施加电压的微小变化会导致反向电流快速增加。反向偏置齐纳二极管如下图所示：

反向偏置齐纳二极管

正向偏置和反向偏置条件下齐纳二极管的特性

典型齐纳二极管的特性如下图所示：

齐纳二极管工作特性-齐纳击穿，雪崩击穿

齐纳二极管的工作原理取决于二极管在反向偏置条件下击穿的原因。要想更多了解齐纳二极管的工作原理，就必须要了解齐纳二极管中的两种反向击穿：雪崩和齐纳击穿。

击穿电压小于约 5 V 的齐纳二极管通常在齐纳击穿中工作。那些击穿电压大于约 5 V 的设备通常在雪崩击穿中工作。

齐纳二极管齐纳和雪崩击穿图

齐纳二极管的雪崩击穿

当向 PN 结施加高值的反向电压时，自由电子获得足够的能量并以高速加速。这些高速运动的自由电子会碰撞其他原子并击落更多的电子。由于这种连续的碰撞，二极管中的电流迅速增加，从而产生大量的自由电子。

电流的这种突然增加可能会永久性地破坏正常的二极管，但是，齐纳二极管被设计为在雪崩击穿下工作，并且可以承受电流的突然尖峰。雪崩击穿发生在齐纳电压 (Vz) 大于6V 的齐纳二极管中。

对于具有大击穿电压的轻掺杂二极管，电压击穿也发生在反向偏置条件下，最低为8V。流经二极管的电子与共价键中的电子发生碰撞，从而破坏它。电子的速度随着电压的增加而增加，这意味着共价键可以更容易地被破坏。还应注意，雪崩击穿电压随温度升高。

齐纳二极管的雪崩击穿原理图

齐纳二极管的齐纳击穿

当施加的反向偏压接近齐纳电压时，耗尽区的电场强度足以将电子从其价带中拉出。从耗尽区的强电场中获得足够能量的价电子脱离母原子。在齐纳击穿区，电压的小幅增加会导致电流的快速增加。

齐纳击穿通常发生在具有大电场和低击穿电压的高掺杂二极管上。随着温度的升高，价电子获得更多的能量，因此需要更少的外向电压。这也意味着齐纳击穿电压随温度降低。

二极管齐纳击穿机制图

雪崩击穿与齐纳击穿的区别

在这里顺带总结一下齐纳击穿与雪崩击穿的区别，如下图所示：

雪崩击穿和齐纳击穿的区别图

齐纳二极管参数解读

很能有些特殊的齐纳二极管的某些规格参数会存在不同。这里只说一下比较常见的规格参数：

齐纳电压（Vz）

齐纳电压也称为击穿电压，是使二极管导通电流的反向偏置电压。击穿电压的范围通常为2.4V至数百伏，具体取决于特定的齐纳二极管。

最大电流（Iz-max）

Iz-max 是在反向击穿电压下可以流过齐纳二极管的最大电流。它的范围从 200μA 到 200A。Iz-max 可以使用以下公式计算：

Iz=Pz/Vz

其中 Pz 是二极管可以处理的最大功率，Vz 是反向击穿电压。

最小电流（Iz-min）

Iz-min 是导致齐纳二极管击穿所需的最小电流量。它的范围从 5mA 到 10mA。

测试电流(IZ )

对于每个齐纳二极管，齐纳电压 (VZ ) 是在指定的齐纳测试电流 (IZ ) 下测量的。例如，1N4732A 的齐纳电压范围为 4.465 至 4.935V，典型值为 4.7V，测试电流为 53mA。

拐点电流(IZK )

保持二极管击穿电压调节所需的最小电流。1 瓦齐纳二极管的典型值约为 0.25 至 1mA。如果未达到此电流，二极管将无法充分击穿以维持其额定电压。

漏电流

反向漏电流是针对小于拐点电压的反向电压指定的。这意味着齐纳二极管对于这些测量没有反向击穿。例如，1N4728A 中的反向电压为 1V。

额定功率（Pz）

额定功率是齐纳二极管可以安全耗散的最大功率。齐纳二极管常用的额定功率包括 400 mW、500mW、1mW、3mW 和 5mW。具有高额定功率的齐纳二极管通常很昂贵，并且它们需要额外的设备来去除多余的热量。齐纳二极管的最大功耗 (Pzm) 可以通过给定的公式计算，

Pzm=Iz*Vz

其中，Iz 是可以流过齐纳二极管的最大电流，Vz 是齐纳击穿电压。

齐纳电阻 (ZZ )

齐纳电阻或齐纳阻抗是齐纳二极管为电流提供的总电阻。齐纳电阻从反向 VI 特性图中也很明显，因为它不是完全垂直的，因此对于齐纳二极管两端电压的微小变化，电流会发生轻微变化，而这种电压相对于电流是齐纳二极管提供的电阻。理想情况下，它应该为零，但每个齐纳二极管都提供一定量的齐纳电阻。

齐纳二极管的齐纳阻抗由下式计算：

R=Vi-Vz/Iz

其中Vi是输入电压，Iz是通过齐纳二极管的电流，Vz是齐纳击穿电压。

齐纳二极管容差

纳二极管的容差被定义为接近击穿电压的电压范围，在该范围内齐纳二极管在反向偏置中传导电流。在制造稳压二极管的过程中，同一种稳压二极管的掺杂浓度可能会略有不同，这意味着它们的击穿电压也有细微的差别，因此同一种稳压二极管在不同的反向击穿电压值下会导通反向电流，而齐纳击穿电压的这个范围称为它们的容差。通常，齐纳二极管的电压容差为±5%。

温度系数 (TC)

齐纳二极管受与其电压温度系数相关的温度变化的影响。温度系数指定每次温度变化时齐纳电压的百分比变化。对于给定的结温变化 (%/℃)，计算齐纳电压变化的公式为：

Vz 是标称齐纳电压，TC 是温度系数，ΔT 是温度变化

如果温度系数以 mV/℃ 表示，则 ΔVz 为：

正温度系数意味着齐纳电压的变化与温度的变化成正比。因此，负 TC 意味着齐纳电压与温度变化成反比。

结温

为了保证二极管的可靠性，二极管结温是关键。即使外壳可能足够冷，活动区域仍然可能非常热。因此，一些制造商指定了结本身的工作范围。对于正常设计，通常在设备内的最大预期温度和结之间保留适当的余量。设备内部温度将再次高于设备外部温度。尽管设备外部的环境温度可以接受，但必须注意确保单个物品不会变得太热。

封装

齐纳二极管有多种不同的封装。主要选择是在表面贴装和传统的通孔器件之间。然而，所选择的封装通常会决定封装的散热水平，而封装是根据器件内部散热水平的要求来选择的，具体的可以去参考相关齐纳二极管的datasheet。

齐纳二极管功能讲解+齐纳二极管使用图解

齐纳二极管的功能十分强大，在电路中有大量的应用：电压参考、稳压器、过压保护、限幅、浪涌抑制......

下面列举出其中的一些：

电压参考

最基本的齐纳二极管电路由一个齐纳二极管和一个电阻组成。齐纳二极管提供参考电压，但必须有一个串联电阻来限制流入二极管的电流，否则大量电流会流过它并可能被破坏。

应计算齐纳二极管电路中的电阻值，以给出所用电源电压所需的电流值。通常，大多数低功率引线齐纳二极管的最大功耗为 400 mW。理想情况下，电路的耗散量应小于该值的一半，但要正确运行，流入齐纳二极管的电流不应低于约 5 mA，否则它们不能正确调节。

基本电压基准齐纳二极管电路

稳压器

齐纳二极管用作稳压器/稳压器

相关计算公式

对于上面给出的电路图，至少需要 12V 的 V DC才能在 1KΩ 负载下产生 7.5V 的输出。

在运算放大器的帮助下，可以设计一个更改进的电压调节电路，如下图所示：

使用齐纳二极管和运算放大器的改进电压调节电路

齐纳二极管放置在运算放大器的非反相输入端，将齐纳电压设置为参考电压 (V 1 )。另一个输入，即反相 (V 2 ) 取自输出电压。

V 2电压取决于输出电压 (V out )，输出电压的任何变化都会反映在 V 2中。负载的增加会导致输出电压下降，从而降低输入电压 (V 2 )。

运算放大器试图保持两个输入，即 V 1 =V Z和 V 2相等，并达到此条件运算放大器的输出电压（V o) 增加，从而补偿负载电压的下降。

类似地，每当负载条件降低时，V 2的增加就会导致运算放大器降低其输出电压 (V O )。这降低了晶体管 (Q 1 ) 基极电流，因此输出电压降低。

该电路的输出电压等式由下式给出：

例如要获得 10V 的输出电压：

则需要一个齐纳电压为 5V 的齐纳二极管。

过压保护

对于下图所示的电路，任何高于齐纳击穿电压的电压都会导致电流流过电阻。该电阻上出现电压降，该电阻器导通晶体管并短路路径。大电流流动并打开保险丝以断开电路。

过压保护电路中的齐纳二极管

限幅电路

当交流电压施加到齐纳二极管时，任何高于齐纳击穿电压的电压都会被剪掉。以相反方向串联的两个二极管会导致 AC 在正负循环中削波。削波电路的一个例子是正弦波到方波转换器。

限幅电路中的齐纳二极管

齐纳二极管的电路技巧

齐纳二极管是一种非常灵活和有用的电路元件。然而，与任何其他电子元件一样，有一些提示和技巧可以让齐纳二极管发挥最佳性能。下面列出了一些方法：

1. 用发射极或源极跟随器电路缓冲齐纳二极管电路

为了使齐纳二极管的电压尽可能稳定，流经齐纳二极管的电流必须保持恒定。负载吸收的电流的任何变化都必须最小化，因为这些变化会改变通过齐纳二极管的电流并导致轻微的电压变化。

2. 负载引起的变化可以通过使用射极跟随器电路级来减少从齐纳二极管电路获取的电流，从而减少它看到的变化，这样的话可以使用更小的齐纳二极管。

3. 使用恒流源驱动以获得最佳稳定性

提高齐纳稳定性的另一种方法是使用良好的恒流源。仅使用一个电阻器的简单电路足以满足许多应用，但更有效的电流源可以在电路性能方面提供一些改进，因为几乎不管电源轨的任何变化都可以保持电流。

4.选择正确的电压以获得最佳稳定性

在需要随温度变化保持稳定性的应用中，应选择齐纳电压基准二极管，使其电压约为 5.5 伏。最接近的首选值是 5.6 伏，尽管 5.1 伏是另一个流行的值，因为它接近某些逻辑系列所需的 5 伏。

如果需要不同级别的电压，可以使用 5.6 伏齐纳二极管，并且可以使用周围的电子设备将其转换为所需的输出值。

5. 保证有足够的电流进行反向击穿

必须保证有足够的电流通过二极管，以保证其保持在反向击穿状态。对于典型的 400 mW 设备，必须保持大约 5 mA 的电流。

对于最小电流的准确值，应查阅特定器件和电压的datasheet。如果未提供最小电流，则二极管将无法正常导通，整个电路将无法运行。

6. 确保不超过齐纳二极管的最大电流限制

虽然有必要确保有足够的电流通过齐纳二极管，但不得超过最大限制。在某些电路中，这可能是一种平衡行为，因为负载电流的变化会导致齐纳二极管电流发生变化。

应注意不要超过最大电流或最大功耗，也可以使用射极跟随器电路来缓冲齐纳二极管并增加电流能力。

齐纳二极管非常易于使用，因此有各种各样不同的齐纳二极管电路。当使用一些预防措施时，它们运行良好，但偶尔会引起一些问题，但遵循上述提示和技巧应该有助于避免大多数问题。

总结

以上本篇，就是关于齐纳二极管的工作原理与工作特性、功能应用和电路技巧，希望能够帮助到大家。

　　审核编辑：汤梓红