齐纳二极管

齐纳二极管也是一种半导体二极管。低功率的齐纳二极管在外观上与普遍半导体二极管差不多。但是齐纳二极管是在反向击穿的状态下工作的，因此它与普通半导体二极管的性能和用途都不一样。

齐纳二极管在反向击穿的状态下有着良好的稳压性能，因此它主要被用作稳压器。此外，齐纳二极管还广泛地用作标准电池，供给电子管或其他半导体管放大器的固定偏压，过负荷保护，以及用作开关元件等等。下面我们介绍齐纳二极管的特性和它的应用线路。

我们知道，半导体二极管的主要部分是一个P－n结。P－n结的反向电阻远远大于它的正向电阻。因此，当给P－n结加一个反向电压时，通过二极管的反向电流非常微弱。但是，当反向电压高到一定程度时，二极管的电阻会突然变得很小，通过二极管的电流会突然增大，而且是无限地增大。这种现象叫做二极管的反向击穿；开始击穿的反向电压叫做击穿电压。

反向击穿对于作为整流或检波用的二极管来说是极其有害的。因为在反向击穿时，二极管的电阻很小，通过二极管的反向电流很大，这就破坏了整流器或检波器的工作;同时由于通过P－n结的反向电流过大，也会把P－n结烧坏。不过，如果我们把二极管作得足够大，使它在出现反向击穿时，能够耗散由于通过较大的电流而产生的热量，就不会把P－n结烧坏。这样，我们就可以得到能够在反向击穿电压下工作的齐纳二级管。

典型的齐纳二极管的特性曲线如图1所示。由图可见，其正向特性与一般二极管没有什么区别，而反向特性就不同。当反向电压小于击穿电压V\(_{B}\)时，反向电流很小（这一点与普通半导体二极管相同）。但是，当反向电压等于击穿电压VB时，反向电流就急剧增加而出现所谓击穿状态（这一点与普遍半导体二极管不同，因为普遍半导体二极管在工作时反向电压不允许达到击穿电压）。

最初人们认为这种二极管的击穿是所谓齐纳击穿，所以把它定名为齐纳二极管。后来才发现，在齐纳二极管中，除齐纳击穿外，还有雪崩击穿，而且雪崩击穿是主要的。所以齐纳二极管也叫雪崩二极管。

处于击穿状态的齐纳二极管，虽然反向电流大大增加，但反向电压却基本上没有变化。这个电压，可以在制造的时候，用控制半导体的电阻率，P－n结的杂质浓度分布等方法加以控制，从而得到需要的数值。一般的可从几伏到几百伏。击穿时所允许的电流变化范围可从几毫安到几安培。下面介绍齐纳二极管的几种应用线路。

图2a是一个最简单的稳压线路。其中齐纳二极管是作为一个分流器而与负载并联的，然后再通过限流电阻R接到电源上。

选用的齐纳二极管的击穿电压，应等于需要得到的稳定电压。工作时，齐纳二极管处于击穿状态。当输入电压增加或降低时，通过齐纳二极管的电流便增加或降低，因此使限流电阻R上的电压也随着增加或减小，从而起到稳定输出电压的作用。另外，当负载电流增加或减小时，通过齐纳二极管的电流便相应地减小或增加，结果也能起到稳定输出电压的作用。

稳定交流电压时需要把两个齐纳二极管“背靠背”地连接起来（见图2b），以使它们分别在交流电压的正、负两个半周工作。这种线路虽然与用充气稳压管的稳压线路（图2c）相似，但是用齐纳二极管却比用充气稳压管优越得多。

首先，充气稳压管气体电离的电压（即着火电压）比它的工作电压高一些，所以输入电压加到稳压管的部分必须达到着火电压后才能使稳压管进入工作状态（图3a，）而齐纳二极管只要输入电压达到它的工作电压就能工作（图3b）。

其次，充气稳压管的工作电压决定于气体的放电电压。而这个放电电压决定于气体的特性，无法改变。因此只能作成70、90、105、135伏等很少几种工作电压的充气稳压管。而P－n结的击穿则不然，它的击穿电压可以通过工艺过程来加以控制，因此可以制成很多不同规格的齐纳二极管，其工作电压可以为6伏到300伏中间的任何一个数值。

第三，如果充气稳压管需要供给一个作附加滤波、退耦用的电容负载时，必须仔细选择工作参数，否则可能产生张弛振荡。而齐纳二极管则不存在这一问题。

其他还有体积小、机械强度高、寿命长、价格便宜等优点。因此几乎任何使用充气稳压管的地方，都可以用齐纳二极管来代替。

工作电压误差和温度系数很小的齐纳二极管，能够作成精确的电压标准，可以应用在需要提供准确电压的仪器设备，如电子计算机、超稳定性电源和控制系统中，还能用来代替标准电池。一种最简单的电压标准元件是由三个串联的齐纳二极管组成。其中一个在反向电压下工作，具有正温度系数;另外两个在正向电压下工作，具有负温度系数。这样配合起来差不多就可以完全消除由于温度变化所引起的电压漂移。这种电压标准元件，在-55℃到+100℃的范围内，温度每变化1℃,电压的变化不超过±0.001%。

用齐纳二极管作成的张弛振荡器的简单电路如图4所示。电容器C通过两个串联电阻缓慢充电，当达到齐纳二极管的击穿电压时，便通过它放电，这一过程反复进行的结果就产生振荡。适当选择元件的数值，可以得到需要的频率。固定电阻R1用来限制通过齐纳二极管的电流，以达到保护齐纳二极管的作用。电位器R2作控制频率用。电源的电压应比齐纳二极管的击穿电压高一些。

用齐纳二极管可以作成方波发生器或削波器，其工作原理和把它用作交流稳压时的相似（见图2b）。为了使输出的方波信号波形良好，输入的交流电压应为齐纳二极管击穿电压的10到20倍。串联电阻要大一些，以便限制过多的电流，不使齐纳二极管损坏。

许多电子线路和设备，为了避免受到过压冲击而损坏，都需要加以保护。简单地用一个保险丝，常常不能满足要求。同时，要找到一个保险丝，能够在负载电流变化范围较大的情况下起到保护作用也是很困难的。由于齐纳二极管对于电压的变化非常敏感，因此照图5a那样连接一个齐纳二极管，就可以解决这个问题。齐纳二极管的工作电压应该等于需要稳定的负载电压。这时电源电压稍微有些升高，则通过齐纳二极管的电流便增加很多，因而将保险丝烧毁，有效地保护了负载。

为了防止万用电表受到意外过荷而损坏，也可以用一个齐纳二极管来保护（图5b）。它的工作电压应该比电表满刻度读数所需要的电压稍大一点，但是要低于电表的额定值。当电压超过电表的满刻度读数时，齐纳二极管击穿使通过它的电流增加，而使通过电表的电流减少，因此不会烧坏电表。（蒋泽仁）