在通常情況下，反向偏置的PN結中只有一個(gè)很小的電流。這個(gè)漏電流一直保持一個(gè)常數，直到反向電壓超過(guò)某個(gè)特定的值，超過(guò)這個(gè)值之后PN結突然開(kāi)始有大電流導通（圖1）。這個(gè)突然的意義重大的反向導通就是反向擊穿，如果沒(méi)有一些外在的措施來(lái)限制電流的話(huà)，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，如果采取適當的預防措施來(lái)限制電流的話(huà)，反向擊穿的結能作為一個(gè)非常穩定的參考電壓。 

 

圖1. PN結二極管的反向擊穿

 

導致反向擊穿的一個(gè)機制是avalanche multiplication（雪崩倍增）?？紤]一個(gè)反向偏置的PN結。耗盡區隨著(zhù)偏置上升而加寬，但還不夠快到阻止電場(chǎng)的加強。強大的電場(chǎng)加速了一些載流子以非常高的速度穿過(guò)耗盡區。當這些載流子碰撞到晶體中的原子時(shí)，他們撞擊松的價(jià)電子且產(chǎn)生了額外的載流子。因為一個(gè)載流子能通過(guò)撞擊來(lái)產(chǎn)生額外的成千上外的載流子就好像一個(gè)雪球能產(chǎn)生一場(chǎng)雪崩一樣，所以這個(gè)過(guò)程叫avalanche multiplication。

 

反向擊穿的另一個(gè)機制是tunneling（隧道效應）。Tunneling是一種量子機制過(guò)程，它能使粒子在不管有任何障礙存在時(shí)都能移動(dòng)一小段距離。如果耗盡區足夠薄，那么載流子就能靠tunneling跳躍過(guò)去。Tunneling電流主要取決于耗盡區寬度和結上的電壓差。Tunneling引起的反向擊穿稱(chēng)為齊納擊穿。

 

結的反向擊穿電壓取決于耗盡區的寬度。耗盡區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，耗盡區越寬，擊穿電壓越高。當擊穿電壓低于5伏時(shí)，耗盡區太薄了，主要是齊納擊穿。當擊穿電壓高于5伏時(shí)，主要是雪崩擊穿。

 

設計出的主要工作于反向導通的狀態(tài)的PN二極管根據占主導地位的工作機制分別稱(chēng)為齊納二極管或雪崩二極管。齊納二極管的擊穿電壓低于5伏，而雪崩二極管的擊穿電壓高于5伏。通常工程師們不管他們的工作原理都把他們稱(chēng)為齊納管。因此主要靠雪崩擊穿工作的7V齊納管可能會(huì )使人迷惑不解。

 

實(shí)際上，結的擊穿電壓不僅和它的摻雜特性有關(guān)還和它的幾何形狀有關(guān)。以上討論分析了一種由兩種均勻摻雜的半導體區域在一個(gè)平面相交的平面結。盡管有些真正的結近似這種理想情況，大多數結是彎曲的。曲率加強了電場(chǎng)，降低了擊穿電壓。曲率半徑越小，擊穿電壓越低。這個(gè)效應對薄結的擊穿電壓有很大的影響。大多數肖特基二極管在金屬－硅交界面邊緣有一個(gè)很明顯的斷層。電場(chǎng)強化能極大的降低肖特基二極管的測量擊穿電壓，除非有特別的措施能削弱Schottky barrier邊緣的電場(chǎng)。

 

圖2是以上所討論的所有的電路符號。PN結用一根直線(xiàn)代表陰極，而肖特基二極管和齊納二極管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管正向偏置下的電流方向。在齊納二極管中，這個(gè)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(lái)說(shuō)，這個(gè)符號出現時(shí)旁邊應該再插入一句“方向反了”。 

 

圖2  PN結，肖特基，和齊納二極管的電路圖符號。有些電路圖符號中箭頭是空心的或半個(gè)箭頭

 

經(jīng)?？吹接袉?wèn)關(guān)于穩壓管（齊納管）的問(wèn)題，所以略做總結:

 

齊納管一般有兩種用法（以下IZ為工作電流，UZ為標稱(chēng)穩壓電壓，UW為實(shí)際工作電壓）：1 正常工作時(shí)處于"導通"狀態(tài)，IZ≥0.1mA量級，此時(shí)齊納管起穩壓作用，UW≈UZ。2 正常工作時(shí)處于"截止"狀態(tài)，即UW

 

其實(shí)常用齊納管主要分兩類(lèi)，一類(lèi)就是通常所謂的"穩壓管"，另一類(lèi)是TVS類(lèi)器件。前者通常是第一種用法，后者通常是第二種用法。但也不絕對，兩者只是特性參數各有特點(diǎn)。普通的穩壓管同樣可以用作保護器件，只是響應速度差一些，不適合需要抑制極高速度脈沖干擾的場(chǎng)合。TVS也可以拿來(lái)當穩壓管用，當然也有不合適的。

 

總結一下，初學(xué)者常犯如下幾種錯誤： 

 

1． 把齊納管特性想得太美好：當UW7V），那曲線(xiàn)還湊合，換個(gè)低壓的，例如3V的，那實(shí)際曲線(xiàn)真是夠"柔美"的，1.5V電壓時(shí)就有很大電流了，直到IZ增加到數十mA，UZ才懶洋洋地達到標稱(chēng)值，簡(jiǎn)直就是個(gè)拋物線(xiàn)嘛。

 

2． 用齊納管做保護的，一不懂世間萬(wàn)事皆有代價(jià)，這里的代價(jià)就是漏電流IR（"截止"狀態(tài)下的IZ）：IR>0；二不懂世間萬(wàn)事皆須留有余地，這里的余地就是確保"截止"的電壓余量UM：UM＝UZ-UW>0（IR→很?。?；三不懂世間萬(wàn)事皆有彈性（讓步），這里的彈性就是導通狀態(tài)下UW隨著(zhù)IZ增加的增量UP：UP=UW-UZ>0（IR→很大）。而且即使留了余地，付出了代價(jià)，仍然要做讓步。要減小IR，就要提高ΔU，也就是選高UZ的管子，但這樣又會(huì )降低保護的"力度"。

 

3． 不明白齊納管動(dòng)態(tài)內阻dV/dI>0，即UZ會(huì )隨IZ增加。這就不多說(shuō)了。

 

4． 不明白齊納管的反應是比較遲鈍的，UW變化了，IZ并不會(huì )立即跟著(zhù)變，而是有延遲。而且有結電容，而且結電容有時(shí)還相當大。按教科書(shū)上的電路圖，把齊納管接到運放反饋臂上做限幅，還為自己能靈活運用運放的負反饋技術(shù)而沾沾自喜。但輸入個(gè)幾MHz的方波后，發(fā)現輸出全不是那么回事，就懵了。

 

 從這幾條可以總結出一些原則：

 

1． 盡量避免使用低壓齊納管。

2． 用齊納管做保護要合理選擇UZ，使UWMAX＋UM

3． 設計電路要有"動(dòng)態(tài)"的概念，電路跟人，跟一切機器一樣都有反應遲鈍的問(wèn)題，區別只在于"更遲鈍"和"更不遲鈍"。

4． 記住墨菲定律："事情凡是能夠更糟糕的，就一定會(huì )更糟糕"。

 

附：穩壓管典型穩壓電路分析

 

下圖中D1為穩壓二極管，與負載R2并聯(lián)，R1為限流電阻。 

 

 

若電網(wǎng)電壓升高，即電路的輸入電壓Vin也隨之升高，引起負載電壓Vout升高。由于穩壓管D1與負載R2并聯(lián)，Vin只要有一點(diǎn)增長(cháng)，就會(huì )使流過(guò)穩壓管的電流急劇增加，使得I也增大，限流電阻R1上的電壓降增大，從而抵消了Vout的升高，保持負載電壓Vout基本不變。反之，若電網(wǎng)電壓降低，引起Vin下降，造成Vout 也下降，則穩壓管中的電流急劇減小，使得I減小，R1上的壓降也減小，從而抵消了Vin的下降，保持負載電壓Vout基本不變。 若Vin不變而負載電流增加，則R1上的壓降增加，造成負載電壓Vout下降。Vout只要下降一點(diǎn)點(diǎn)，穩壓管中的電流就迅速減小，使R1上的壓降再減小下來(lái)，從而保持R1上的壓降基本不變，使負載電壓Vout得以穩定?？梢钥闯?，穩壓管起著(zhù)電流的自動(dòng)調節作用，而限流電阻起著(zhù)電壓調整作用。綜上可見(jiàn)穩壓管的動(dòng)態(tài)電阻越小，限流電阻越大，輸出電壓的穩定性越好。

 

 

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