齊納二極體原理

在通常情況下，反向偏置的PN結中只有一個很小的電流。這個漏電流一直保持一個常數，直到反向電壓超過某個特定的值，超過這個值之後PN結突然開始有大電流導通（圖1.15）。這個突然的意義重大的反嚮導通就是反向擊穿，如果沒有一些外在的措施來限制電流的話，它可能導致器件的損壞。反向擊穿通常設置了固態器件的最大工作電壓。然而，如果採取適當的預防措施來限制電流的話，反向擊穿的結能作為一個非常穩定的參考電壓。

圖1.15 PN結二極體的反向擊穿。

導致反向擊穿的一個機制是avalanche multiplication。考慮一個反向偏置的PN結。耗盡區隨著偏置上升而加寬，但還不夠快到阻止電場的加強。強大的電場加速了一些載流子以非常高的速度穿過耗盡區。當這些載流子碰撞到晶體中的原子時，他們撞擊松的價電子且產生了額外的載流子。因為一個載流子能通過撞擊來產生額外的成千上外的載流子就好像一個雪球能產生一場雪崩一樣，所以這個過程叫avalanche multiplication。

反向擊穿的另一個機制是tunneling。Tunneling是一種量子機制過程，它能使粒子在不管有任何障礙存在時都能移動一小段距離。如果耗盡區足夠薄，那麼載流子就能靠tunneling跳躍過去。Tunneling電流主要取決於耗盡區寬度和結上的電壓差。Tunneling引起的反向擊穿稱為齊納擊穿。

結的反向擊穿電壓取決於耗盡區的寬度。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。當擊穿電壓低於5伏時，耗盡區太薄了，主要是齊納擊穿。當擊穿電壓高於5伏時，主要是雪崩擊穿。設計出的主要工作於反嚮導通的狀態的PN二極體根據佔主導地位的工作機制分別稱為齊納二極體或雪崩二極體。齊納二極體的擊穿電壓低於5伏，而雪崩二極體的擊穿電壓高於5伏。通常工程師們不管他們的工作原理都把他們稱為齊納管。因此主要靠雪崩擊穿工作的7V齊納管可能會使人迷惑不解。

實際上，結的擊穿電壓不僅和它的摻雜特性有關還和它的幾何形狀有關。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平面相交的平面結。儘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，降低了擊穿電壓。曲率半徑越小，擊穿電壓越低。這個效應對薄結的擊穿電壓由很大的影響。大多數肖特基二極體在金屬－矽交界面邊緣有一個很明顯的斷層。電場強化能極大的降低肖特基二極體的測量擊穿電壓，除非有特別的措施能削弱Schottky barrier邊緣的電場。

圖1.16是以上所討論的所有的電路符號。PN結用一根直線代表陰極，而肖特基二極體和齊納二極體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體正向偏置下的電流方向。在齊納二極體中，這個箭頭可能有些誤導，因為齊納管通常工作在反向偏置狀態下。對於casual observer來說，這個符號出現時旁邊應該再插入一句「方向反了」。

圖1.16 PN結，肖特基，和齊納二極體的電路圖符號。有些電路圖符號中箭頭是空心的或半個箭頭。

經常看到問關於穩壓管（齊納管）的問題，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為標稱穩壓電壓，UW為實際工作電壓）：
1 正常工作時處於"導通"狀態，IZ≥0.1mA量級，此時齊納管起穩壓作用，UW≈UZ。
2 正常工作時處於"截止"狀態，即UW

其實常用齊納管主要分兩類，一類就是通常所謂的"穩壓管"，另一類是TVS類器件。前者通常是第一種用法，後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。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衝幹擾的場合。TVS也可以拿來當穩壓管用，當然也不合適。

總結一下，我發現初學者常犯如下幾種錯誤：
1． 把齊納管特性想得太美好：當UW7V），那曲線還湊合，換個低壓的，例如3V的，那實際曲線真是夠"柔美"的，1.5V電壓時就有很大電流了，直到IZ增加到數十mA，UZ才懶洋洋地達到標稱值，簡直就是個拋物線嘛。
2． 用齊納管做保護的，一不懂世間萬事皆有代價，這裡的代價就是漏電流IR（"截止"狀態下的IZ）：IR>0；二不懂世間萬事皆須留有餘地，這裡的餘地就是確保"截止"的電壓餘量UM：UM＝UZ-UW>0（IR→很小）；三不懂世間萬事皆有彈性（讓步），這裡的彈性就是導通狀態下UW隨著IZ增加的增量UP：UP=UW-UZ>0（IR→很大）。而且即使留了餘地，付出了代價，仍然要做讓步。要減小IR，就要提高ΔU，也就是選高UZ的管子，但這樣又會降低保護的"力度"。
3． 不明白齊納管動態內阻dV/dI>0，即UZ會隨IZ增加。這就不多說了。
4． 不明白齊納管的反應是比較遲鈍的，UW變化了，IZ並不會立即跟著變，而是有延遲。而且有結電容，而且結電容有時還相當大。按教科書上的電路圖，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而沾沾自喜。但輸入個幾MHz的方波後，發現輸出全不是那麼回事，就懵了。

從這幾條可以總結出一些原則：
1． 儘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＋UM3． 設計電路要有"動態"的概念，電路跟人，跟一切機器一樣都有反應遲鈍的問題，區別只在於"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，就一定會更糟糕"。