齐纳二极管原理及特性

半导体二极管阻止反向电流，但如果施加的反向电压变得过高，则会发生过早击穿或损坏.

然而，齐纳二极管b>或“击穿二极管”，有时也称为“击穿二极管”，与标准PN结二极管基本相同，但它们经过特殊设计，具有低且指定的反向击穿电压，它利用了任何反向电压都施加在它上面。

齐纳二极管的行为就像一个普通的通用二极管，由硅PN结构成，当正向偏置时，就是阳极相对于其阴极，它的行为就像通过额定电流的正常信号二极管一样。

然而，与反向偏置时阻止任何电流通过自身的传统二极管不同，阴极变为阴极比阳极更正，一旦反向电压达到预定值，齐纳二极管开始反向导通。

这是因为当齐纳二极管两端的反向电压超过器件的额定电压时，会发生一个名为 Avalanche Breakdown 的过程。半导体耗尽层和电流开始流过二极管，以限制电压的增加。

现在流过齐纳二极管的电流急剧增加到最大电路值（通常受一系列限制）电阻器一旦达到，这个反向饱和电流在很宽的反向电压范围内保持相当稳定。齐纳二极管两端的电压变得稳定的电压点称为“齐纳电压”，（ Vz ），对于齐纳二极管，该电压的范围可以从小于1伏到几百伏。

在二极管半导体结构的掺杂阶段，齐纳电压触发电流流过二极管的点可以非常精确地控制（小于1％的容差），使二极管具有特定的齐纳击穿电压，（ Vz ），例如，4.3V或7.5V。 IV曲线上的齐纳击穿电压几乎是垂直直线。

齐纳二极管IV特性

齐纳二极管用于“反向偏压”或反向击穿模式，即二极管阳极连接到负极电源。从上面的IV特性曲线可以看出，齐纳二极管的反向偏置特性区域几乎是恒定的负电压，与流过二极管的电流值无关，即使电流变化很大，也几乎保持不变。齐纳二极管电流保持在击穿电流 I Z（min） 和最大额定电流 I Z（max）之间。

这种控制自身的能力可用于调节或稳定电压源以防止电源或负载变化。击穿区域中二极管两端的电压几乎恒定，这一事实证明是齐纳二极管的一个重要特性，因为它可用于最简单的电压调节器应用。

调节器应为与其并联的负载提供恒定的输出电压，尽管电源电压波动或负载电流变化，齐纳二极管将继续调节电压，直到二极管电流降至低于反向击穿区域的最小 I Z（min） 值。

齐纳二极管稳压器

齐纳二极管可用于在变化的负载电流条件下产生具有低纹波的稳定电压输出。通过一个小电流从电压源通过二极管，通过一个合适的限流电阻（ R S ），齐纳二极管将传导足够的电流来维持电压降 Vout 。

我们从前面的教程中记得，半波或全波整流器的直流输出电压包含叠加在直流电压上的纹波，并且当负载值发生变化时所以平均输出电压。通过在整流器输出端连接如下所示的简单齐纳稳定器电路，可以产生更稳定的输出电压。

齐纳二极管稳压器

电阻 R S 与齐纳二极管串联，以限制电流通过二极管的电流， V S 在组合中连接。稳定输出电压 V out 取自齐纳二极管。齐纳二极管的阴极端子连接到直流电源的正轨，因此它被反向偏置并将在其击穿状态下工作。选择电阻 R S 以限制电路中流过的最大电流。

在没有负载连接到电路的情况下，负载电流将为零，（ I L = 0 ），所有电路电流都通过齐纳二极管，齐纳二极管反过来消耗其最大功率。当负载电阻 R L R S 的一小部分将导致更大的二极管电流>连接且大，因为这会增加二极管的功耗要求，因此在选择适当的串联电阻值时必须小心，以便在无负载或高阻抗条件下不超过齐纳的最大额定功率。

负载与齐纳二极管并联，因此 R L 上的电压始终与齐纳电压相同，（ V <子> - [R = V <子>ž ）。存在最小齐纳电流，对于该齐纳电流，电压的稳定是有效的，并且齐纳电流必须始终保持高于在其击穿区域内的负载下操作的该值。电流的上限当然取决于设备的额定功率。电源电压 V S 必须大于 V Z 。

一个小问题与齐纳二极管稳定器电路一样，二极管有时会在直流电源顶部产生电噪声，因为它试图稳定电压。通常这对于大多数应用来说不是问题，但可能需要在齐纳输出端添加一个大值去耦电容来提供额外的平滑效果。

然后总结一下。齐纳二极管始终在反向偏置条件下工作。可以使用齐纳二极管设计电压调节器电路，以在输入电压变化或负载电流变化的情况下在负载两端保持恒定的DC输出电压。齐纳电压调节器由一个限流电阻 R S 组成，与输入电压 V S 串联，在这种反向偏置条件下，齐纳二极管与负载 R L 并联连接。稳定输出电压始终选择与二极管的击穿电压 V Z 相同。

齐纳二极管示例No1

需要从12V直流电源输入源生产5.0V稳定电源。齐纳二极管的最大额定功率 P Z 为2W。使用上面的齐纳稳压器电路计算：

a）。流过齐纳二极管的最大电流。

b).串联电阻的最小值， R S

c）。负载电流 I L 如果在齐纳二极管两端连接1kΩ的负载电阻。

d）。满载时的齐纳电流 I Z 。

齐纳二极管电压

除了产生单个稳定电压输出外，齐纳二极管还可以与普通硅信号二极管串联在一起，以产生各种不同的参考电压输出值如下所示。

齐纳二极管串联连接

可以选择各个齐纳二极管的值以适应应用，而硅二极管在正向偏置条件下总是下降约0.6-0.7V。电源电压 Vin 当然必须高于最大输出参考电压，在上面的示例中，这是19v。

典型的齐纳二极管一般电子电路是500mW， BZX55 系列或更大的1.3W， BZX85 系列是齐纳电压，例如 C7V5 对于7.5V二极管，二极管参考编号 BZX55C7V5 。

500mW系列齐纳二极管的电压范围约为2.4至100伏，通常具有相同的序列用于5％（E24）电阻系列的值，这些小但非常有用的二极管具有单独的额定电压，如下表所示。

齐纳二极管标准齐纳电压

BZX55齐纳二极管额定功率500mW
2.4V	2.7V	3.0V	3.3 V	3.6V	3.9V	4.3V	4.7V
5.1V	5.6V	6.2V	6.8V	7.5V	8.2V	9.1V	10V
11V	12V	13V	15V	16V	18V	20V	22V
24V	27V	30V	33V	36V	39V	43V	47V
BZX85齐纳二极管额定功率1.3W
3.3V	3.6V	3.9V	4.3V	4.7V	5.1V	5.6	6.2V
6.8V	7.5V	8.2V	9.1V	10V	11V	12V	13V
15V	16V	18V	20V	22V	24V	27V	30V
33V	36V	39V	43V	47V	51V	56V	62V

齐纳二极管钳位电路

到目前为止，我们已经研究了齐纳二极管是如何形成的用于调节恒定直流电源，但如果输入信号不是稳态直流但是交流交流波形，齐纳二极管如何对不断变化的信号做出反应。

二极管限幅和钳位电路是用于形成或修改输入AC波形（或任何正弦波），根据电路布置产生不同形状的输出波形。二极管限幅器电路也称为限幅器，因为它们限制或限制输入AC信号的正（或负）部分。由于齐纳钳位电路限制或截止波形的一部分，它们主要用于电路保护或波形整形电路。

例如，如果我们想将输出波形剪切为+7.5 V，我们将使用7.5V齐纳二极管。如果输出波形试图超过7.5V限制，则齐纳二极管将“截止”来自输入的过电压，产生具有平顶的波形，仍保持输出恒定在+ 7.5V。请注意，在正向偏置条件下，齐纳二极管仍是二极管，当交流波形输出低于-0.7V时，齐纳二极管会像任何正常的硅二极管一样“导通”，并将输出限制在-0.7V，如图所示下方。

方波信号

背靠背连接的齐纳二极管可用作交流稳压器产生什么被戏称为“穷人的方波发生器”。使用这种配置，我们可以在7.5V齐纳二极管的正值+ 8.2V和负值-8.2V之间剪切波形。

因此，例如，如果我们想要剪切输出波形在两个不同的最小值和最大值之间，例如+ 8V和-6V，我们只需使用两个不同额定值的齐纳二极管。请注意，由于增加了正向偏置二极管电压，输出实际上会将交流波形限制在+ 8.7V和-6.7V之间。

换句话说，峰峰值电压为15.4伏而不是预期的14伏电压，因为二极管上的正向偏压电压降在每个方向上增加了0.7伏。

这种类型的限幅器配置对于保护电子电路免受过电压是相当普遍的。两个齐纳二极管通常放置在电源输入端子上，在正常工作期间，其中一个齐纳二极管“关闭”，二极管几乎没有影响。但是，如果输入电压波形超过其极限，则齐纳二极管变为“ON”并钳位输入以保护电路。

在下一个关于二极管的教程中，我们将看看使用二极管的正向偏置PN结来产生光。我们从之前的教程中知道，当电荷载流子穿过结点时，电子与空穴结合，能量以热量的形式消失，但是这些能量中的一部分会以光子形式消散，但我们无法看到它们。

如果我们在结点周围放置半透明透镜，将产生可见光并且二极管成为光源。这种效应产生了另一种通常称为发光二极管的二极管，利用这种发光特性发出各种颜色和波长的光（光子）。