1.8齐纳二极管教程
普通的P-N结二极管通常是通过在一个半导体晶片上调整P型和N型半导体来制造的。结二极管的特性表明，它主要是为了在正向方向上工作而设计的。施加大量的正向偏置会导致较大的正向电流，而正向电压值较小。
然而，反向偏置二极管并不会导致电流传导，直到达到较高的反向电压值。如果反向电压足够大，会发生击穿，并开始有反向电流流动。普通结二极管在这种击穿发生时通常会损坏。齐纳二极管中的电流流动是由少数载流子在反向偏置条件下控制的，因此它们也可以被称为击穿二极管。
在特定的制造条件下，会形成一种特殊的二极管，当击穿电压增加时，它不会被损坏，前提是电流不超过一个规定的限制，以防止过热的情况发生。这种类型的器件被称为齐纳二极管。
齐纳二极管的命名和特性
齐纳二极管是以贝尔实验室的Clarence Melvin Zener命名的，他发现了这种电气特性。这些二极管是一种特殊的二极管，在制造时具有很高的掺杂浓度。由于掺杂浓度高，产生了大量的自由电子和电子空穴，它们负责在反向偏置下由于少数载流子而传导电流。
这些二极管被设计为具有非常陡峭的雪崩特性。齐纳二极管是经过重掺杂的硅二极管，与普通二极管不同，它们在相对较低的电压下表现出急剧的反向击穿。
齐纳二极管允许电流在正向方向上像理想二极管一样流动，并且当电压高于某个值（称为击穿电压）时，它也允许电流在反向方向上流动。这个电压也可以被称为齐纳膝电压或齐纳电压。
如果二极管上的电压增加，温度会升高，晶格离子会以更大的振幅振动，所有这些都会导致耗尽层的击穿。当击穿发生时，反向电流会急剧增加。大量的变化反向电流可以通过二极管而不会损坏它。
因此，齐纳二极管旨在反向击穿区域工作，其反向击穿电压（Vz）范围为2.4伏到200伏。Vz的值取决于掺杂浓度。当达到齐纳电压时，齐纳二极管从其阴极端子向阳极端子传导电流。
齐纳二极管上的击穿电压或齐纳电压相当恒定。二极管的最大反向电流量由其功率额定值限制。
有许多不同类型的齐纳二极管。它们根据功耗、标称工作电压、正向电流、正向电压、封装类型和最大反向电流进行分类。一般的工作齐纳膝电压值为5.1伏、6.2伏、15伏等。正向电流的范围可以从200微安到200安，最常见的正向电流为10毫安或200毫安。
齐纳二极管在许多应用中都有用途。它们被广泛用作电子电路中的电压参考二极管，允许简单且稳定的参考电压调节电路的准备，而且它们便宜且易于制造。
它们可以用作设备保护的浪涌抑制器，用于削掉不需要的波形的削波电路，用于不同的开关操作，作为参考元件，以及用于去除可能损坏电路或导致电路过载的尖峰。
齐纳二极管的恒定反向电压使其成为控制输出电压以应对负载电阻的变化或输入电压的变化（例如来自不稳定电压源的电压，如可再生能源系统的电池组，其电压会根据电池组的充电状态而波动）的非常有用的元件。通过齐纳二极管的电流会变化，以保持电压在齐纳作用的可调阈值限制内。
制造商根据其Vz值和最大功耗在室温（即25ºC）下对齐纳二极管进行评级。这是齐纳二极管可以安全传导电流的最大反向电流的指示。每个齐纳膝电压值通常在最低齐纳电流下指定。因此，功耗值用于指示安全工作范围。典型的功耗额定值从150毫瓦到50瓦。
齐纳二极管可以通过观察阴极端子上的黑色环来识别。如果二极管是SMD元件，则阴极端子上会有颜色带。通过识别设备上标记的齐纳二极管代码，我们可以确定其值。
齐纳二极管的I-V特性曲线
在正向偏置条件下，齐纳二极管在指定的电流和功率限制内表现得像一个理想二极管，但在反向偏置条件下，齐纳二极管在反向偏置条件下的击穿电压处具有非常陡峭的雪崩特性。
齐纳二极管主要在反向偏置模式下工作，通过将阳极连接到电源的负极来实现。齐纳二极管根据它们将导通或开始传导反向偏置电流的电压进行分类和评级。
齐纳二极管的最大功率额定值指定为Pz = VzIz max，它是二极管的计划和结构的函数。曲线的膝部通常近似为Iz max的10%，即Iz min = 0.1Iz max。
通常，这些齐纳二极管被用于调节电压。在反向偏置条件下，击穿后齐纳二极管即使在输入电压增加时也能提供恒定的输出电压。有两种单独的机制可能导致齐纳二极管发生击穿：
雪崩击穿
在大约5.5伏以上占主导地位。这种机制也被称为碰撞电离或雪崩倍增。为了反向传导，有必要想象雪崩击穿现象。当对PN结施加较大的负偏置时，半导体中热产生的少数载流子获得了足够的能量。
因此，自由载流子获得了破坏共价键并通过对晶格粒子的碰撞产生电场所需的动能。在碰撞中产生的载流子对反向电流的贡献超出了正常的反向饱和电流，并且也可能具有足够的能量通过碰撞参与其中，通过碰撞产生额外的电场和雪崩效应，一旦提供了足够高的反向偏置，这种传导过程就像雪崩一样发生：一个电子可以电离几个其他电子。
齐纳击穿
在大约5.5伏以下占主导地位。这种机制也被称为高场发射机制。齐纳击穿现象与雪崩击穿的概念有关。齐纳击穿是通过在欧姆接触附近重掺杂区域实现的。
这是破坏晶格原子共价键和增加反向偏置齐纳二极管电流的第二种方法，以在比普通二极管低得多的特定电压下维持。反向偏置电压称为齐纳电压，这种机制发生的电压由二极管的掺杂浓度决定，当耗尽层场宽足够破坏共价键并因电场产生而使自由载流子数量增加时发生。
半导体中的真正齐纳效应可以用两个上能带来解释。这两个上能带分别是导带和价带。
这两种效应或两种机制的结合在反向偏置区域显著增加了电流，而对结上的电压降影响微乎其微。当施加的反向偏置电压大于预定电压时，齐纳击穿发生。
通过控制掺杂浓度并避免表面缺陷，齐纳击穿电压变得尖锐且明显。齐纳二极管在击穿区域的电压几乎恒定，这是调节电压的一个重要概念。
齐纳二极管作为电压调节器
齐纳二极管的I-V特性使其适用于电压调节器等应用。电压稳定器是一组设计用来确保电源的输出电压相当恒定的元件。通过使用齐纳二极管进行过电压保护，因为当反向偏置电压超过某个值后，由于少数载流子的反向电流开始通过二极管流动。
将齐纳二极管与可变负载电阻RL并联，即使负载电流和电源电压变化，也能确保恒定的输出电压。在实际电路中，最简单的电流源形式是电阻。使用齐纳二极管作为电压调节器的关键是，只要齐纳二极管处于反向偏置状态，大于几微安的电流流动 必须伴随着大于齐纳电压的电压。
这种电路的安排为连接到端子的设备提供了保护。这种调节器电路的安排被称为并联调节器，其中调节元件与负载并联。系统的输入电压为几伏，只要它高于所需的输出电压，齐纳二极管上就会产生稳定的电压。
通常，反向电流不应超过正常值，但如果由于电路构造中的任何故障导致电流超过最大允许限制，系统将永久损坏。然而，为了避免性能不平衡，齐纳二极管被用于许多测量仪器中的电压参考。
随着输入电压的增加，通过齐纳二极管的电流增加，但电压降保持恒定，这是齐纳二极管所需的必要特性。因此，电路中的反向电流增加了，电阻上的电压降增加了，增加的量等于施加的输入电压与齐纳二极管的齐纳膝电压之间的差值。
调节器系统的输出电压被固定为齐纳二极管的齐纳膝电压，可用于需要固定电压值的电源设备。齐纳二极管将继续调节电压，直到齐纳二极管电流降至反向击穿区域的最小Iz min值以下。
齐纳二极管稳压器
在开始时，根据所需的电压选择齐纳二极管。使用理想的齐纳二极管构建稳压器非常简单，只需将二极管连接在未稳压的电源和地之间即可。
齐纳二极管与限流电阻Rs串联连接，以限制通过二极管的电流，电源连接在整个组合的两端。齐纳二极管的阴极连接到电源的正极，从而使齐纳二极管处于反向偏置状态，并在击穿区工作。
当负载未连接到齐纳二极管两端时，没有负载电流流动，电路中的所有电流都将通过齐纳二极管，耗散最大功率，导致二极管过热并永久损坏。
选择合适的串联电阻Rs的值也很重要，因为它也会影响二极管电流，因此在空载或高阻抗条件下，二极管的最大功耗不应超过其额定值。
当负载与齐纳二极管并联连接时，负载两端的电压与齐纳二极管的电压相同。然而，电源电压必须高于齐纳电压，齐纳电流的上限取决于齐纳二极管的功率额定值；否则，齐纳电压将简单地跟随施加的输入电压。
齐纳二极管和电阻都必须具有较高的功率额定值，以处理电路中的所有电流。如果在齐纳二极管两端连接了去耦电容，它将更有助于为直流电源提供额外的平滑，这对于稳定电压是必要的。
齐纳二极管串联连接
当两个或多个齐纳二极管以这样的方式连接时，第一个齐纳二极管的阴极连接到第二个齐纳二极管的阳极，第二个齐纳二极管的阴极连接到第三个齐纳二极管的阳极，这种连接方式被称为齐纳二极管的串联连接。在这种连接中，电路的总电压等于连接中所有齐纳二极管的电压之和。
如上图所示，3伏的齐纳二极管串联连接。这种串联连接的总齐纳电压为9伏。应根据具体应用选择各个齐纳二极管的最佳齐纳电压值。
用于通用电子电路的典型齐纳二极管的功率额定值为500毫瓦，BZX55齐纳二极管系列或更大的1.3瓦BZX85齐纳系列是最常用的齐纳二极管。500毫瓦的BZX55系列齐纳二极管通常有2.4伏到接近100伏的范围。
齐纳二极管电压
BZX55系列：
- 功率耗散：0.5瓦
| PART NUMBER | ZENER VOLTAGE RANGE | PART NUMBER ZENER | VOLTAGE RANGE |
|---|---|---|---|
| BZX55C2V4 | 2.4 | BZX55C15 | 15 |
| BZX55C2V7 | 2.7 | BZX55C16 | 16 |
| BZX55C3V0 | 3 | BZX55C18 | 18 |
| BZX55C3V3 | 3.3 | BZX55C20 | 20 |
| BZX55C3V6 | 3.6 | BZX55C22 | 22 |
| BZX55C3V9 | 3.9 | BZX55C24 | 24 |
| BZX55C4V3 | 4.3 | BZX55C27 | 27 |
| BZX55C4V7 | 4.7 | BZX55C30 | 30 |
| BZX55C5V1 | 5.1 | BZX55C33 | 33 |
| BZX55C5V6 | 5.6 | BZX55C36 | 36 |
| BZX55C6V2 | 6.2 | BZX55C39 | 39 |
| BZX55C6V8 | 6.8 | BZX55C43 | 43 |
| BZX55C7V5 | 7.5 | BZX55C47 | 47 |
| BZX55C8V2 | 8.2 | BZX55C51 | 51 |
| BZX55C9V1 | 9.1 | BZX55C56 | 56 |
| BZX55C10 | 10 | BZX55C62 | 62 |
| BZX55C11 | 11 | BZX55C68 | 68 |
| BZX55C12 | 12 | BZX55C75 | 75 |
| BZX55C13 | 13 |
BZX85系列：
- 功率耗散：1.3瓦
| PART NUMBER | ZENER VOLTAGE RANGE | PART NUMBER | ZENER VOLTAGE RANGE |
|---|---|---|---|
| BZX85C2V7 | 2.7 | BZX85C18 | 18 |
| BZX85C3V0 | 3 | BZX85C20 | 20 |
| BZX85C3V3 | 3.3 | BZX85C22 | 22 |
| BZX85C3V6 | 3.6 | BZX85C24 | 24 |
| BZX85C3V9 | 3.9 | BZX85C27 | 27 |
| BZX85C4V3 | 4.3 | BZX85C30 | 30 |
| BZX85C4V7 | 4.7 | BZX85C33 | 33 |
| BZX85C5V1 | 5.1 | BZX85C36 | 36 |
| BZX85C5V6 | 5.6 | BZX85C39 | 39 |
| BZX85C6V2 | 6.2 | BZX85C43 | 43 |
| BZX85C6V8 | 6.8 | BZX85C47 | 47 |
| BZX85C7V5 | 7.5 | BZX85C51 | 51 |
| BZX85C8V2 | 8.2 | BZX85C56 | 56 |
| BZX85C9V1 | 9.1 | BZX85C62 | 62 |
| BZX85C10 | 10 | BZX85C68 | 68 |
| BZX85C11 | 11 | BZX85C75 | 75 |
| BZX85C12 | 12 | BZX85C82 | 82 |
| BZX85C13 | 13 | BZX85C91 | 91 |
| BZX85C15 | 15 | BZX85C100 | 100 |
| BZX85C16 | 16 |
齐纳二极管削波器
基于齐纳二极管的削波电路可以限制施加在输入端子上的输入波形的某一部分，这些齐纳二极管削波器通常用于保护电路和整形输入波形。考虑图中所示的削波电路。如果我们想将波形限制在3.2伏以上，我们将使用一个3.2伏的齐纳二极管。
输出波形可以在正侧被限制在大于3.2伏的范围内，并保持恒定的输出。负侧的波形在0.7伏处被限制，之后齐纳二极管导通并作为一个硅二极管工作。
如图所示的二极管和电源将防止输出电压超过0.7伏。齐纳二极管削波电路用于消除幅度上的噪声和电压尖峰，进行电压调节，并从现有信号中生成新的波形，例如将正弦波的峰值削平以获得矩形波。
使用全波齐纳二极管进行限制
将齐纳二极管以相反方向、背对背的方式连接，可以产生一个交流调节器，可以用作方波发生器。这是最常用的齐纳二极管连接方式，用于削波和保护电子 电路免受过电压的损害。
通常，两个齐纳二极管都连接在电源的输入端子上。在正常工作时，电路中的一个齐纳二极管是关闭的，另一个齐纳二极管几乎没有影响。
另一方面，如果施加到电路的输入电压超过了最大限制，那么齐纳二极管将导通，并将施加的输入信号进行削波，以保护电路。