齐纳二极管工作原理分析

在正常情况下，反向偏置PN结中只有很小的电流。该泄漏电流保持恒定，直到反向电压超过某个值。在此值之后，PN结突然开始具有大电流传导（图1.15）。这种突然和显着的反向传导是反向击穿，如果没有外部措施限制电流，可能会对器件造成损坏。反向击穿通常设定固态器件的最大工作电压。但是，如果采取适当的预防措施来限制电流，则反向击穿可以用作非常稳定的参考电压。

图1.15 PN结二极管的反向击穿

导致反向击穿的一种机制是雪崩多重现象。考虑反向偏置PN结。随着偏压的增加，耗尽区域变宽，但不足以阻止电场强化。强大的电场以非常高的速度加速一些载流子穿过耗尽区。当这些载流子与晶体中的原子碰撞时，它们会撞击松散的价电子并产生额外的载流子。因为载体可以通过撞击产生额外的数千个外部载流子，就像雪球会产生雪崩一样，因此这个过程被称为雪崩多重现象。

反向击穿的另一种机制是隧道效应。隧道是一种量子机制过程，无论任何障碍物，粒子都可以移动一小段距离。如果耗尽区足够薄，则载流子可以通过隧穿跳过。隧穿电流主要由耗尽区的宽度和结上的电压差决定。由隧道引起的反向击穿称为齐纳击穿。

结的反向击穿电压取决于耗尽区的宽度。耗尽区越宽，所需的击穿电压越高。如前所述，掺杂越轻，耗尽区越宽，击穿电压越高。当击穿电压小于5伏时，耗尽区太薄，主要是齐纳击穿。当击穿电压高于5伏时，主要是雪崩击穿。设计用于反向导通状态的PN二极管根据主导工作机制称为齐纳二极管或雪崩二极管。齐纳二极管的击穿电压小于5伏，而雪崩二极管的击穿电压高于5伏。工程师经常将它们称为齐纳管，无论它们如何工作。因此，主要依赖于雪崩击穿工作的7V齐纳管可能会造成混淆。

实际上，结的击穿电压不仅与其掺杂特性有关，而且与其几何形状有关。上面的讨论分析了平面结，其中两个均匀掺杂的半导体区域在一个平面中相交。虽然一些真正的结接近这个理想，但大多数结是弯曲的。曲率增强了电场并降低了击穿电压。曲率半径越小，击穿电压越低。该效应对薄结的击穿电压有很大影响。大多数肖特基二极管在金属 - 硅界面的边缘处具有明显的故障。除非有特殊措施来削弱肖特基势垒边缘的电场，否则电场增强可以大大降低肖特基二极管的测量击穿电压。

图1.16是上面讨论的所有电路符号。 PN结使用直线表示阴极，而肖特基二极管和齐纳二极管对阴极端进行一些修改。在所有这些图例中，箭头的方向表示二极管正向偏置下的电流方向。在齐纳二极管中，此箭头可能有些误导，因为齐纳二极管通常在反向偏置状态下工作。对于不经意的观察者，该符号应插入短语“方向反转”旁边。

图1.16 PN结，肖特基二极管和齐纳二极管的电路图符号。在一些电路图符号中，箭头是空心或半箭头。