ESD、切換負載或附近閃電造成的電壓尖峰都可能損壞電路。雪崩二極體透過在反向擊穿中安全工作，並在電壓達到擊穿水平時夾緊，從而防止這種情況發生。本文詳細說明雪崩分解、內部結構、齊納比較、規格、主要類型、用途、選擇及常見故障。
雪崩二極體基礎
雪崩二極體是一種設計用來在反向擊穿模式下安全運作的PN接面二極體。當反向電壓達到額定擊穿電壓（VBR）時，二極體會突然導通大量反向電流。與可能在擊穿時損壞的標準二極體不同，雪崩二極體設計上能在電流和功率維持在額定範圍內時安全處理此行為。
雪崩二極體廣泛用於在暴露於瞬態尖峰（如靜電事件、感應開關突波及閃電引起的擾動）的電路中，進行浪湧保護和電壓鉗位。
雪崩二極體的雪崩擊穿
當反向偏置二極體在其耗盡區域經歷強烈電場時，就發生雪崩擊穿。此場加速自由載子，直到與晶格中的原子碰撞，釋放出額外的電子和空穴。這些新載子也會加速並碰撞，產生稱為撞擊電離的連鎖反應。
因此，二極體電流迅速上升，而電壓幾乎保持恆定，使元件能夠夾持過剩電壓。雪崩二極體設計使擊穿均勻分布於接面，以減少過熱並防止局部損壞。
雪崩二極體的內部結構
• 建基於矽晶片，具有設計用於反向電壓的PN接面。
• 接面被輕微摻雜，因此當反向偏壓時，空（耗盡）區域會變得寬大。
• 寬大的耗盡區讓二極體在高電壓時進入雪崩擊穿，而非在低電壓時使用齊納擊穿。
• 接面邊緣經過塑形與處理，使電場保持均勻，不會形成尖銳的高磁場斑點。
• 晶片安裝於承載電流的引腳框架或焊盤上，有助於在浪湧時散熱。
• 雪崩二極體密封於與其功率水平及工作環境相符的玻璃、塑膠或金屬封裝中。
雪崩二極體與齊納二極體比較
| 特色 | 雪崩二極體 | 齊納二極體 |
|---|---|---|
| 主要的崩潰效應 | 撞擊電離引起的雪崩效應 | 由隧道效應引起的齊納效應 |
| 禁藥水平 | 輕度摻雜的PN接面 | 重摻雜的PN接面 |
| 耗盡區域 | 寬耗盡區 | 薄耗盡區域 |
| 典型電壓範圍 | 通常用於約6–8 V | 在約 6–8 V |
| 溫度行為 | 擊穿電壓通常會隨溫度 | 擊穿電壓通常會隨溫度 |
| 主要用途 | 浪湧與尖峰保護，電壓鉗位 | 低壓調節與電壓參考 |
| 能量處理 | 能在短時間內承受較高的浪湧能量 | 相較於雪崩類型，處理較低能量 |
雪崩二極體的電氣規格
| 參數 | 意義 | 重要性 |
|---|---|---|
| 擊穿電壓（VBR） | 雪崩起點反向電壓 | 設定二極體開始強導通的點 |
| 夾緊電壓（VCL） | 在特定電流下，浪湧期間的電壓 | 顯示在尖峰期間，線能上升到什麼程度 |
| 峰值脈衝電流（IPP） | 對於指定脈衝形狀的最高浪湧電流 | 必須高於電路中最嚴重的突波 |
| 峰值脈衝功率（P） | 短脈衝時的最高浪湧功率 | 幫助選擇能承受浪湧能量的二極體 |
| 反向洩漏（IR） | 擊穿下方的小反向電流 | 影響小的待機損耗與漏電路徑 |
| 接面電容（CJ） | 反向偏壓時的電容 | 對高速及射頻訊號線很重要 |
| 回應時間 | 是時候開始夾緊快速瞬態了 | 對於靜電（ESD）和非常明顯的電壓尖峰很重要 |
雪崩二極體類型及其用途
TVS（瞬態電壓抑制）二極體
TVS二極體是最常見的雪崩二極體，用於浪湧和靜電放電保護。它們能迅速夾住電壓尖峰，以保護電力和訊號線上的敏感元件。
高功率雪崩整流二極體
這些整流二極體設計用來抵抗受控雪崩，並在正確使用時能承受電力電子的切換尖峰。
IMPATT 微波雪崩二極體
IMPATT 二極體利用雪崩擊穿加上傳輸時間效應，在專門的射頻系統中產生微波頻率振盪。
噪音雪崩二極體
這些電波在雪崩擊穿時會故意偏置，以產生穩定的寬頻電噪音，用於測試和隨機訊號產生。
雪崩光電二極體（APD）
APD利用雪崩乘法放大光產生電流，提升低光偵測應用中的靈敏度。
雪崩二極體浪湧保護
在浪湧保護電路中，雪崩二極體通常稱為TVS（瞬態電壓抑制器）二極體。它們通常以反向方式連接於線路與地線之間，或在線路與電源電壓之間連接。正常運作時，線路電壓低於擊穿水平，因此雪崩二極體只有微小的漏電流。
當突波或尖峰將線路電壓推高於擊穿電壓時，雪崩二極體會進入擊穿狀態並開始強導電。此動作能夾穩電壓，將浪湧電流從敏感部位引導至接地。當尖峰結束且電壓降回擊穿水平以下時，雪崩二極體停止導電，回復正常非導電狀態。
射頻與微波信號中的雪崩二極體
有些雪崩二極體是專為射頻和微波電路設計的。在像IMPATT二極體這類裝置中，雪崩擊穿以及載子通過耗盡區所需的時間會造成延遲。此延遲會造成相位偏移，在高頻下看起來像負電阻。
當這種雪崩二極體置於調諧電路或共振腔中時，負電阻可維持高頻振盪，甚至可達微波範圍。這些二極體用於雷達模組、本地振盪器級以及某些測試儀器。這些裝置可能相當吵雜，因此必須經過偏置和謹慎冷卻，才能保持穩定並維持在安全範圍內。
雪崩二極體作為噪聲源
• 當雪崩二極體在雪崩區域偏置時，會產生撞擊電離產生隨機電流脈衝。
• 這些許多小脈衝結合成涵蓋廣泛頻率範圍的寬頻雜訊訊號。
• 此噪聲可被放大，作為接收器、濾波器及其他電路的測試信號。
• 它也可以作為硬體隨機數產生器的熵來源。
• 偏壓電壓與電流必須嚴格控制，使二極體保持在穩定的雪崩區域，避免過熱。
使用雪崩二極體作用的雪崩光電二極體
雪崩光電二極體（APD）是一種光感測器，利用雪崩擊穿技術在內部放大光電流。當光子撞擊活性區域時，會產生電子-空穴對。由於APD在擊穿附近偏置，這些載子加速並觸發撞擊電離，使輸出電流倍增。這種內部增益使得APD在偵測弱光信號方面非常有用：
• 光纖通訊
• LiDAR 與距離感測
• 醫學影像與光度測量
為了保持穩定性，APD需要偏壓控制與溫度補償，因為擊穿電壓會隨溫度變化。
選擇不同電路需求的雪崩二極體
| 設計需求 | 專注 | 參數 |
|---|---|---|
| 直流電力線保護 | 夾緊器在保持正常電壓正常的同時有突波 | VBR 與一般電壓、VCL、IPP、PPP |
| 高速資料線靜電 | 動作非常快且電容低 | 低CJ、快速反應、靜電等級 |
| 電纜高能量突波 | 處理非常大的浪湧能量 | 高PPP / 能源額定、IPP、封裝 |
| 射頻雜訊源 | 雪崩中強烈且穩定的噪音 | 穩定擊穿區域，偏置範圍 |
| APD / SPAD 光感測 | 高增益低暗電流 | 增益與偏壓、暗電流、溫度行為 |
雪崩二極體可靠性與常見故障
熱過載
超過額定的單一突波可能會使接面過熱，永久損壞二極體。
長期累積壓力
重複的較小瞬態可以逐漸改變擊穿電壓或提高漏電流。
目前擁擠與熱門地點
PCB 佈局不良或二極體選擇錯誤可能導致導通不均，增加故障風險。
環境壓力
濕氣、振動和熱循環會破壞包裝品質，導致完整性問題。
長壽的良好實踐
為了提升可靠性，降低浪湧電流與能量，利用足夠的銅面積進行散熱，並在放置及選擇雪崩二極體時遵守限制與浪湧標準。
結論
雪崩二極體透過在設定擊穿電壓下進入受控反向擊穿來鉗位電壓尖峰。基本因素包括擊穿電壓、鉗位電壓、峰值脈衝電流與功率、漏電流、電容及反應時間。類型包括TVS、雪崩整流器、IMPATT、噪聲二極體及光電二極體。可靠性取決於熱度、反覆應力、佈局及環境。
常見問題 [常見問題]
雪崩二極體應該檢查什麼浪湧波形等級？
檢查二極體的額定脈衝波形（例如：8/20微秒或10/1000微秒），並確保與你的突波源相符。
單向與雙向 TVS 二極體的差別是什麼？
直流線路單向線最好。雙向電纜最適合雙向擺動的交流線路或訊號。
VRWM 在 TVS 雪崩二極體中意味著什麼？
VRWM 是二極體能持續承受且不開啟的最大電壓。
為什麼高速訊號保護需要低電容？
高電容會扭曲快速訊號。低電容的TVS二極體保護線路，但不會減速。
我應該把雪崩二極體放在PCB的哪裡？
盡量靠近連接器或突波入口點，並有短且直接的接地路徑。
我怎麼知道雪崩二極體是否受損？
徵兆包括漏水增加、正常運作時過熱，或浪湧時夾緊力較弱。