齊納二極管是一種特殊類型的二極管，一旦電壓達到設定值（稱為齊納電壓），它允許電流反向流動。它保持電壓穩定並保護電路免受突然變化的影響。本文詳細解釋了齊納二極管的工作原理、類型、用途和常見的可靠性問題。
齊納二極管基礎知識和
齊納二極體是一種設計的半導體元件，它不僅允許電流像標準二極體一樣沿正向流動，而且一旦達到稱為齊納擊穿電壓 （Vz） 的特定電壓，還可以沿相反方向流動。齊納二極管不像普通二極管那樣被反向電壓損壞，而是被開發為在該擊穿區域安全運行。這一獨特的特性使其成為電壓調節、電壓參考電路和過壓保護的理想選擇。
當齊納二極管兩端施加的反向電壓超過其額定齊納電壓（例如 3.3V、5.1V 或 12V）時，即使輸入電壓或負載電流發生變化，它也會在其端子上保持幾乎恆定的電壓。這種穩定電壓的能力使其廣泛應用於需要可靠電壓水平的電源和電子電路中。
齊納擊穿和雪崩擊穿背後的物理學
該圖顯示了齊納二極體的 I-V（電流-電壓）特性，說明了它在正向和反向偏壓條件下的行為。它強調了兩種擊穿機制：齊納擊穿和雪崩擊穿，它們發生在圖表的反向區域。
在正向區域，一旦正向電壓超過稱為導通電壓 （VT） 的某個閾值，二極管就會開始傳導電流，就像常規 PN 結二極管一樣。電流隨著該區域的電壓而迅速增加。
在反向區域，二極管最初會阻止電流，直到反向電壓達到一定值。可能會發生兩種情況：
• 齊納擊穿 （VZ）：對於擊穿電壓低於約 5-6V 的二極體，稱為齊納擊穿的量子力學隧道效應占主導地位。二極管安全地傳導大反向電流，同時保持幾乎恆定的電壓。這在電壓調節中得到了利用。
• 雪崩擊穿 （VB）：在較高的反向電壓下，衝擊電離會導致雪崩擊穿。這也會導致傳導，但用於更高電壓的應用。
標準二極體和齊納二極體的區別
| 專題 | 標準二極體 | 齊納二極管 |
|---|---|---|
| 目的 | 整流（AC 到 DC 轉換） | 電壓調節和保護 |
| 反向操作 | 阻斷電流，直到發生破壞性擊穿 | 允許在額定齊納電壓下進行反向電流 |
| 設計 | 通用PN結 | 摻雜劑可實現精確、安全的擊穿行為 |
| 典型用途 | 整流器、訊號限幅器 | 參考電壓、撬棍電路、穩壓器 |
| 反向擊穿 | 不受控制和破壞性 | 受控和正常操作模式 |
使用齊納二極管保持電壓穩定
齊納二極管是一種特殊的電子部件，可以幫助將電壓保持在穩定水平。當您的電源提供比電路需要更多的電壓時，這非常有用。齊納通過控制流向負載（電路中使用電源的部分）的電壓量來提供幫助。
要進行設置，您需要連接一個電阻器和一個齊納二極管。電阻器首先連接到電源。齊納二極管在負載上向後放置（反向偏置）。這聽起來可能很奇怪，但齊納二極管就是這樣工作的。當電壓過高時，齊納管打開並允許額外的電流流動，將電壓保持在其額定水平（稱為齊納電壓）。
但電阻器是需要的;它限制了進入齊納二極管和負載的電流。如果沒有這個電阻器，過大的電流可能會損壞二極管或電路中的其他部件。
要選擇合適的電阻器，您可以使用一個簡單的公式：
這些符號的含義如下：
• Vin：來自電源的電壓。
• Vz：負載兩端所需的電壓（齊納電壓）。
• Iz：通過齊納二極管的電流需要正常工作。
• Iload：負載使用的電流。
將數字代入公式後，它就會為您提供所需的電阻值。如果沒有確切的電阻值，可以使用下一個較大的電阻值。
齊納二極管穩壓器類型
分流穩壓器
在並聯穩壓器中，齊納二極管與負載並聯。這意味著它位於負載連接的相同兩個點上。當電壓高於齊納擊穿點時，它開始導通並防止電壓上升得太高。
系列穩壓器
在串聯穩壓器中，齊納二極管的使用方式不同。齊納不是直接控制負載兩端的電壓，而是用於向晶體管 （BJT） 的基極提供參考電壓。晶體管與負載串聯，這意味著它與電流路徑一致。
帶晶體管或運算放大器緩衝器的齊納二極管
齊納與 BJT 發射極跟隨器
提高電流處理能力的常見方法是在發射極跟隨器（共集電極）配置中連接雙極結型晶體管 （BJT）。它的工作原理如下：
• 齊納二極管以反向偏置並連接到 BJT 的基極。
• 晶體管的發射極成為新的穩壓輸出。
• 輸出電壓約為：
這種設置將電流負擔從齊納釋放到晶體管，使其能夠在不影響電壓調節的情況下提供更高的負載電流。齊納現在只需要提供晶體管的小基極電流。
齊納管帶運算放大器緩衝器
為了實現更精確的電壓調節，尤其是在模擬或敏感電路中，您可以將齊納連接到配置為電壓跟隨器（緩衝器）的運算放大器的同相輸入。這提供了兩個主要好處：
• 高輸入阻抗：運算放大器幾乎不從齊納吸收電流，保持齊納電壓穩定
• 低輸出阻抗：它可以驅動負載而不引起電壓降
這使得運算放大器緩衝齊納裝置非常適合用作類比電路、ADC 參考或感測器偏置電路中的穩定電壓參考。
齊納二極體雜訊和瞬態處理
降噪
當齊納二極管在其擊穿區域工作時，可能會出現稱為噪聲的小隨機電壓波動。為了減少這種情況，一個旁路電容器（約 100 nF）直接連接到齊納二極管上。此電容器可平滑快速電壓變化並過濾高頻雜訊，使輸出電壓更加穩定。
瞬態保護
電源線或開關電路可能會產生突然的電壓尖峰，稱為瞬變。這些會對齊納二極管或連接的組件施加壓力。添加緩衝電路，即電阻器和電容器串聯的組合，有助於吸收這些尖峰並保護電路免受突然突波的影響。
漣漪和供應穩定性
如果輸入電壓有紋波（直流信號上的交流變化很小），齊納的輸出也會波動。若要減少漣波：
• 使用較大的串聯電阻 （Rs） 來限制電流變化
• 在輸入端添加一個大容量電容器以平滑電源電壓
• 將齊納電流保持在其額定工作範圍內，以實現穩定的性能
齊納二極體削波和限位電路
單齊納剪切
當單個齊納二極管在信號線上反向偏置連接時，一旦信號電壓超過齊納電壓，它就會開始導通。這可以防止訊號上升到該電平以上，從而有效地削波任何多餘的電壓。它通常用於保護敏感電路輸入或創建受控波形限制。
交流信號的背對背齊納
對於交替信號，兩個齊納二極管背靠背放置（方向相反）。這種佈置允許電路對稱地削波正負峰值，將波形保持在固定電壓範圍內。該技術通常用於音頻處理或波形整形，以防止失真或保護放大器輸入。
電壓限制和輸入保護
齊納二極管還可以很好地用作數字系統的電壓限制器。它們可以保護微控制器、邏輯 IC 或 ADC 的輸入引腳免受電壓尖峰的影響，否則可能會損壞它們。當電壓上升到齊納閾值以上時，二極管會導通並將電壓安全地箝位在限制範圍內。
齊納二極管可靠性和故障模式
齊納二極體退化的常見原因
| 原因 | 產品描述 | 對齊納二極管的影響 |
|---|---|---|
| 超額功耗 | 當齊納耗散的功率超過其額定極限（P = V~Z~ × I~Z~）時，結內會積聚熱量。 | 齊納電壓的永久熱擊穿或漂移。 |
| 重複突波電流 | 頻繁的電壓尖峰或浪湧電流會導致短暫但強烈的電流流過二極管。 | 結疲勞，導致洩漏增加或部分失效。 |
| 靜電放電 （ESD） | 搬運或附近電路突然發生高壓靜電放電。 | 在結處產生微短路，導致洩漏或完全短路。 |
| 過壓操作 | 長時間使用接近或高於其最大反向電壓的齊納管。 | PN結逐漸擊穿，電壓穩定性喪失。 |
預防性設計實踐
| 預防方法 | 目的 | 好處 |
|---|---|---|
| 降額功率（額定值的 60–70%） | 限制運行過程中的熱量積聚。 | 延長二極體壽命並防止熱應力。 |
| 使用限流電阻 | 在電壓尖峰期間控制通過齊納的電流。 | 防止突然的過電流情況。 |
| 在高壓電路中添加 TVS 二極體 | 在瞬變期間提供快速突波吸收。 | 保護齊納和附近的組件免受高能脈衝的影響。 |
| 確保適當的散熱 | 如果需要，請使用 PCB 銅區域或散熱器。 | 將結溫保持在安全範圍內。 |
結論
齊納二極體是保持電壓恆定並防止突波損壞的可靠元件。它們獨特的擊穿行為使它們能夠調節功率並保護電路的敏感部分。透過適當的設計和電流控制，它們在電壓調節和保護應用中提供持久、穩定的性能。
常見問題 [FAQ]
齊納二極體的符號是什麼？
它看起來像一個普通的二極管符號，但在陰極線上有彎曲的邊緣，表明當達到齊納電壓時它會反向導通。
溫度如何影響齊納電壓？
對於低於 5.6 V 的二極管，齊納電壓會隨著溫度的降低而降低，而對於高於 5.6 V 的二極管，齊納電壓會隨著溫度的增加而增加。在 5.6 V 左右，它幾乎保持穩定。
如何用萬用電表測試齊納二極管？
在二極管模式下，正向偏置顯示約 0.6–0.7 V，反向偏置顯示開路。要檢查齊納電壓，請用電阻器反向供電並測量穩定電壓。
齊納二極管的額定功率定義是什麼？
它是齊納電壓和電流的乘積（P = VZ × IZ）。常見的額定值為 0.25 W、0.5 W 和 1 W，顯示二極體可以安全處理多少功率。
齊納二極管中的動態電阻是什麼？
它是微小的電壓變化除以擊穿區域的電流變化。較低的動態電阻意味著更好的電壓穩定性。
齊納二極體可以調節交流電壓嗎？
是的，當兩個齊納管背靠背連接時，它們可以削波正峰值和負峰值，從而限制交流電壓擺幅。