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[导读]齐纳二极管是二极管中的一种,P型半导体和N型半导体融合在一起形成PN结,在PN结周围,形成具有反相离子的耗尽层。 齐纳二极管与简单二极管之间的区别主要有2点:1、掺杂程度,简单二极管是中度掺杂,齐纳二极管是重掺杂,以实现更高的击穿电压。掺杂程度的不同这有助于它们在不同电压水平下工作的规格。

什么是齐纳二极管?

齐纳二极管是二极管中的一种,P型半导体和N型半导体融合在一起形成PN结,在PN结周围,形成具有反相离子的耗尽层。

齐纳二极管与简单二极管之间的区别主要有2点:1、掺杂程度,简单二极管是中度掺杂,齐纳二极管是重掺杂,以实现更高的击穿电压。掺杂程度的不同这有助于它们在不同电压水平下工作的规格。

2、导电情况,由于齐纳二极管高掺杂,与简单二极管的PN结相比,齐纳二极管PN结的耗尽层很薄,这为齐纳二极管提供了特殊的特性,在正向和反向偏置条件下都可以导电。

齐纳二极管工作原理

齐纳二极管在正向偏置时的作用类似于普通二极管。然后,一旦反向电压等于其额定电压,就会允许电流反向流动。

击穿工作的齐纳二极管充当电压调节器,因为它在指定的反向电流值范围内跨其端子保持几乎恒定的电压,该电压等于齐纳电压。由反向击穿产生的齐纳二极管两端的恒定电压降由直流电压符号表示。

齐纳二极管正向偏置

齐纳二极管的正向特性类似于简单的二极管,正向电流是正向压降的指数函数。电压降的微小变化会导致电流快速上升。通常,PN 结上 0.8伏的电压降足以使齐纳二极管正向偏置。

齐纳二极管反向偏置

普通二极管在反向偏置模式下工作时,不会有电流流过。在这种情况下,大量电子流可能会损坏二极管。然而,在齐纳二极管中,由于PN结的薄耗尽层产生的强电场而发生齐纳击穿。发生齐纳击穿的电压称为VZ(齐纳电压)。

根据应用和电压要求,生产的齐纳二极管具有不同级别的齐纳电压。一旦发生齐纳击穿,反向电压的进一步增加不会导致任何进一步的电压下降,并且在一定的电压水平上保持恒定,直到发生雪崩击穿。

简而言之,对于反向偏置的齐纳二极管,它从0V到齐纳电压 (VZ )保持关闭(少量电流流动)。从 VZ到雪崩击穿,施加电压的微小变化会导致反向电流快速增加。

早期的 IC 设计人员使用反向偏置的 npn 晶体管基极-发射极结实现了齐纳特性。这种齐纳击穿效应发生在芯片表面,因此容易受到污染和氧化物电荷问题的影响。表面齐纳二极管有几个问题:它们需要大于 5V 的击穿电压、噪声大、短期和长期电压漂移差。

后来的 IC 设计人员了解到,他们可以将晶体管基极-发射极结埋在 IC 表面之下。掩埋结齐纳二极管具有极其稳定的次表面击穿机制,可产生几乎完美的噪声性能。此外,表面污染和氧化物效应不会影响掩埋结,因此由此产生的齐纳二极管是出色的电压基准。使用 6.3V 齐纳二极管很常见,因为它是随时间和温度变化的最稳定的齐纳二极管。掩埋齐纳二极管仍然需要相当高的 8V,但它在所有其他方面都更胜一筹。

齐纳二极管仍然存在一些问题,例如线路调节、负载调节和固定电压输出。IC 设计人员使用运算放大器和电流源来解决这些问题。电流源偏置齐纳二极管,尽管线路电压波动,但仍保持齐纳电流恒定。运算放大器缓冲齐纳二极管,从而最大限度地减少负载电流波动的影响。运算放大器缓冲器的另一个优点是您可以调整 R 2与 R 1的比率以获得小于齐纳电压的输出电压。(通常,R 3 =0。)当  所需的输出电压大于齐纳电压时,可以使用R 3增加齐纳电压。(通常,R2 , R 1 =0.) 这些电路使用薄膜激光微调电阻,以获得低至 0.01% 的初始误差,并且微调可以包括温度补偿,可以产生低至 0.6% 的温度系数。

一种常见的参考电路是 REF02,几家半导体制造商提供并使用埋藏式齐纳二极管;您可以将 REF02 与外部运算放大器耦合以获得双电压基准。REF02 是 5V 基准,差分放大器将 5V 反相以生成 –5V 基准。差分放大器中的匹配电阻确保负参考电压跟踪正参考电压并且是准确的。用分立电阻代替差分放大器的运算放大器允许不同的负参考电压,但分立电阻牺牲了差分放大器的精度。


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