我們用了50年的齊納二極體,為什麼依然「寶刀未老」?​

齊納二極體作為電壓基準和穩壓器在電路設計中被採用，已有半個多世紀的歷史。本文回顧了齊納二極體的發展歷史，說明了齊納二極體的的工作原理，並對齊納二極體的應用進行了詳細的介紹，幫助讀者全面深入了解齊納二極體這種體積小巧、價格低廉的低電流電源的穩壓器。

電路設計人員使用齊納二極體作為電壓基準和穩壓器已有半個多世紀。我在1970年讀高三時，首次使用齊納二極體為一個科技節項目設計電源。該項目是一個基於紅外LED、光電電晶體和塑料光纖電纜的光纖光通信系統。當時還是光纖通信和光電子的早期階段，因此這個科技節項目有幸成為獲獎項目之一。

這個光通信系統設計採用了RTL數字邏輯，但不是現今所指的「寄存器傳送級」概念。現今的RTL用於ASIC、SoC、FPGA和CPLD中的邏輯設計，而在20 世紀中期，「RTL」是「電阻器電晶體邏輯」的縮寫，這是第一個真正的邏輯IC系列。

RTL（邏輯系列）最初是為美國飛彈和航空航天應用而開發的。它被選為構建阿波羅導航計算機 (AGC) 的首選邏輯系列，AGC使用一種電傳操縱系統來控制太空飛行器的主發動機和姿態推進器。阿波羅和AGC電傳操縱系統是第一個取代機械或液壓操縱的此類系統。從1968年到1972年，AGC將阿波羅任務8號、10號、11號、12號、13號、14號、15號、16號和17號送至月球，然後安全返回地球。當然，阿波羅任務8號和10號實際上並未登陸月球，但它們確實完成了任務並且安全返回。

AGC的設計使用了數以千計的RTL IC，而我在科技節項目中使用了同樣的尖端電子元件，令人十分激動。畢竟，在我設計這個項目時，阿波羅計劃仍然在積極的開展中。

這些舊的RTLIC需要3.6V穩壓電源。今天，像Texas Instruments LM317這樣的可調三端子穩壓器可能是簡單線性電源設計的首選，但在那時，三端子穩壓器剛剛在一年之前發明出來，尚未普及，而LM317直到1976年才被設計出來。當時線性穩壓電源電路的首選是基於齊納二極體，所以我的科技節項目使用的正是這種元件。

我的設計採用了Motorola Semiconductor的多個齊納二極體，結合一些大的傳輸電晶體一起產生三個穩定的供電電壓，包括用於RTL IC的3.6V供電電壓。ON Semiconductor繼承了MotorolaSemiconductor的所有齊納二極體並仍在銷售，另有許多採用表面貼裝封裝的新產品。ONSemiconductor甚至延續使用Motorola Semiconductor的舊版齊納二極體手冊，該手冊以PDF格式提供（參見參考資料1）。

當正向偏置時，齊納二極體的工作方式與任何其他二極體相同。不同之處在於其反向偏置條件。當反向偏置電壓較低時，齊納二極體不傳導電流。普通半導體二極體也是如此。然而，一旦齊納二極體兩端的反向偏置電壓達到齊納電壓或擊穿電壓，二極體就會「擊穿」並流過電流。

齊納二極體的電流/電壓曲線（見圖1）表明：在反向偏置齊納區中，滿足所需的最小齊納電流 (IZT) 之後，無論反向偏置電流如何，器件上的電壓幾乎都保持恆定。換言之，在較寬範圍的反向偏置條件下，齊納二極體會提供穩定且已知的基準電壓。

圖1：對於正向偏置電壓，齊納二極體的電流/電壓曲線顯示正常的二極體行為（曲線的右半部分），但當反向偏置電壓等於或大於齊納電壓時，二極體表現出擊穿行為（曲線的左半部分）。（圖片來源：ON Semiconductor）

即使在今天，也就是我在科技節項目中使用齊納二極體差不多50年後，齊納二極體仍是非常好的電壓基準，具有體積小巧、價格低廉的優點，可用作低電流電源的穩壓器，甚至可在背靠背接線情況下用作信號電壓箝位電路。

齊納二極體以克拉倫斯·梅爾文·齊納 (Clarence Melvin Zener) 命名，他是第一個預言電壓擊穿效應的人，此效應後來在1934年發表的一篇論文中以其名字命名。過了很久，威廉·肖克利才在1950年左右在貝爾實驗室製造的早期半導體二極體中注意到所預言的效應。肖克利將這些器件稱為「齊納二極體」，以紀念擊穿效應預言者。

如圖2所示，在齊納二極體的原理圖符號中，陰極側有兩個翼，因此很容易識別。您可以將齊納二極體原理圖符號中的翼型陰極側視為二極體擊穿特性曲線的抽象表示，或者視為代表「Zener」的字母「Z」。（個人看法，僅供參考）

圖2：齊納二極體原理圖符號上的陰極側表示器件的擊穿特性，或者看起來像代表「Zener」的字母「Z」，這取決於您的看法。（圖片來源：ON Semiconductor）

齊納二極體的一個重要特性是，當反向偏置並輸入足夠的電流（通常為幾毫安）以啟動和維持齊納效應時，器件本身就會維持幾乎恆定的電壓。這個幾乎恆定的電壓可用作穩定的基準電壓。

齊納二極體提供各種各樣的固定電壓。快速瀏覽Digi-Key的齊納二極體頁面，可以發現齊納二極體的型號超過2,988種（均來自ON Semiconductor），齊納擊穿電壓則有150多種，範圍為1.2V至200V。

從技術上講，反向擊穿電壓大於5.5V左右的任何齊納二極體都是雪崩二極體，但齊納二極體和雪崩二極體均有類似的反向擊穿效應，允許這些器件用作電壓基準，因此二者通常都歸於「齊納二極體」的名下。

齊納二極體擊穿電壓的範圍非常寬。基本上以0.1V為步長，從1.2V到7V的擊穿電壓應有盡有，因此當使用齊納二極體產生特定基準電壓時，需要調整的可能性較小。

使用齊納二極體作為電壓基準或穩壓器的關鍵是確保其接收到足夠的電流，通常在幾毫安左右，以在反向偏置時維持齊納效應。這是利用適當大小的串聯電阻器來實現的（圖3）。電阻值和功率取決於V_in和V_ref的值。

圖3：簡單的齊納電壓基準或穩壓器採用適當的電阻器來為齊納二極體提供足夠的電流以維持齊納效應。（圖片來源：ON Semiconductor）

該原理圖可視作齊納電壓基準或低電流電源的齊納穩壓器。齊納二極體可用作廉價穩壓器，尤其適合用於恆定的低電流負載。如果負載變化，流過齊納二極體的電流也會變化。齊納二極體必須吸收負載不使用的任何電流。這很重要，因為如果負載電流降至零，齊納二極體必須能夠處理流過串聯電阻器的全部電流。

齊納二極體必須消耗的最大功率等於流過齊納二極體的電流乘以齊納電壓。對於恆流負載，串聯電阻器的大小應使得僅有啟動和維持齊納擊穿效應所需的電流流過二極體。其餘的電流應流過負載。如果負載電流可能降至零，則零負載時流過齊納二極體的電流乘以齊納電壓即為齊納二極體必須能夠消耗的絕對最小功率。像往常一樣，齊納二極體的功率額定值應留有一些裕量，以免在負載電流變化的應用中發生過熱。

有關詳細應用信息以及計算給定齊納二極體應用的適當電阻值所需的公式，請參考之前提到的ON Semiconductor齊納二極體手冊。

維持齊納擊穿效應所需的電流大約在幾毫安，這對於低電流電路可能是一個問題。此類應用現在可以使用工作電流非常小的雙端子電壓基準（也稱為帶隙基準）。

例如，Texas Instruments LM4040精密微功耗並聯電壓基準的最小陰極電流小於80微安 (μA)，可提供2.048V、2.5V、3V、4.096V、5V、8.192V和10V的固定基準電壓，出廠調校的電壓容差範圍為0.1%至1%。

在應用中，這些電壓基準的電路設計與齊納二極體相同，如圖3所示。LM4040電壓基準上的兩個有源端子稱為陽極和陰極，就像該器件是二極體一樣。然而，LM4040顯然不是二極體，這可以從其原理圖看出（圖4）。

圖4：LM4040電壓基準的內部原理圖表明其遠非一個簡單的二極體。（圖片來源：Texas Instruments）

儘管器件已經存在很長時間，但並不會因此意味著它不再有用。器件供應商製造齊納二極體已經超過六十年，但齊納二極體仍在變強，履行著它們一直以來的使命。我已經有所改變，我的角色也發生了變化，但我仍在變強（謝天謝地）。

如果您需要低工作電流的電壓基準，務必也考慮一下雙端子電壓基準。

（參考資料：ON Semiconductor - Zener Theory and Design Considerations）

Steve Leibson是HP和Cadnetix的系統工程師、《EDN》和《Microprocessor Report》雜誌主編以及Xilinx和Cadence的技術博主，並擔任過兩集「The Next Wave with Leonard Nimoy」的技術專家。33年來，他一直致力於幫助設計工程師們開發出更好、更快、更可靠的系統。