从二极管到集成电路

——稳压二极管

稳压二极管，顾名思义是有稳定电压作用的二极管，它常用在稳压设备和一些电子电路中提供稳定的直流电压。由图1可见，稳压二极管的正向特性曲线与普通二极管没有多大区别，但反向特性曲线却有较大差异，它的反向击穿电压比普通二极管要低得多，且可根据需要而定；从图中还可看出其击穿点V\(_{Zmin}\)处，曲线弯折特别尖锐，从该点起虽然电流Iz剧增，但电压V\(_{z}\)几乎保持不变。稳压二极管正是利用这种击穿特性来进行稳压的，也就是说稳压二极管总是工作在反向击穿状态的，只要在外电路设有限流措施，使其击穿电流与击穿电压的乘积不超过管子最大允许功耗，就不会损坏管子。当外加电压撤掉后，管子仍恢复正常，因而稳压二极管的击穿是可逆的，而普通二极管一经击穿，就无法恢复了。

稳压二极管PN结的反向击穿现象目前有两种解释：第一种是德国物理学家齐纳提出来的，他认为当半导体中的电场强度足够大时，可将电子从共价键中拉出来，产生电子空穴对，使载流子突然增多，从而出现击穿现象。后人称之为齐纳击穿或齐纳效应。这种击穿类似金属中的电子冷发射过程。还有一种解释认为当电场强度增加时，载流子获得能量增大，有可能与晶体结构中的外层电子碰撞，使其脱离原子的束缚，这些被撞出来的载流子在得到足够能量后又去碰撞其它外层电子，这种连锁反应使载流子剧增，引起雪崩似的连锁反应，称为雪崩击穿。这种击穿类似于气体中的碰撞电离过程。实验证明，这两种击穿实际上都存在，稳压值较低的稳压管一般属于齐纳击穿，例如硅稳压二极管在5V以下属于齐纳击穿，7V以上属于雪崩击穿，6V左右则两者兼有。

目前国产2CW型硅稳压二极管的外形结构大致有如图2所示几种，其主要参数有：

稳定电压，即图1中击穿电压值V\(_{Z}\)工作电流和温度而变，且由于管子制造工艺上的离散性，使VZ值离散性很大，一般手册上只给出某一电流下的稳定电压范围，例如手册上可查到硅稳压二极管2CW13的稳定电压在稳定电流I\(_{Z}\)=10mA时为5～6.5V。这就是说不同的2CW13其稳压值不同，就是同一个管子在不同工作电流和环境温度下，稳压值亦会不同。

稳定电流，就是图1中的击穿电流值I\(_{Z}\)。稳压管在使用时，不得使工作电流超过最大允许稳定电流IZmax，I\(_{Zmax}\)是根据手册中给出的稳压管的额定功率PZ和稳定电压V\(_{Z}\)来决定的，即IZmax=P\(_{Z}\)／VZ。一般应用中常取其最小值I\(_{Zmin}\)为最大值IZmax的十分之一，即I\(_{Zmin}\)=（1／10）IZmax。

稳压值受温度影响的情况可用电压温度系数来表示，例如2CW11（V\(_{Z}\)=3.2～4.5V）规定为-0.05％／℃，就是说温度每增加l℃，稳压值VZ将下降0.05％。一般来说低于6V的稳压管，其电压温度系数是负的，这是齐纳击穿的特点。而高于6V的稳压管，其电压温度系数则是正的，这是雪崩击穿的特点。这样，6V左右的稳压管由于兼有两种击穿的特点，自然温度系数最小了。为了减小温度系数，可将两只稳压管反向串联起来进行温度补偿，如图3，由于使用时必然是一管正向工作（二极管在正向使用时，正向压降具有负的温度系数），另一管反向工作（V\(_{z}\)大于6V的硅稳压管温度系数通常为正），因而温度系数可互相抵消，使温度系数减小，管子亦就具有更高的电压稳定性，如2DW7型硅稳压二极管，其电压温度系数仅0.005％／℃，这种管子常用在高精度电压表、数字电压表或高级稳压电源中作基准电压管。当然，由于这种稳压管有中间抽头，亦可作单管使用。

从图1还可看出，随稳压管工作电流变化△I\(_{Z}\)，击穿电压亦会变化△VZ，我们可将两者的比值定义为稳压管的动态电阻Rz=△V\(_{Z}\)／△Iz，显然Rz越小，△V\(_{Z}\)越小，曲线越陡，电压稳定性就越好。一般来说，工作电流大些，Rz会小些，因而在功耗允许的情况下，IZ可适当取大些。

稳压二极管的最基本应用是在稳压电路中提供基准电压。图4为硅稳压二极管稳压电路，其中V\(_{S}\)是整流后电压，是随电网电压波动的，负载RL上得到的是稳定电压V\(_{L}\)。由于稳压管与负载并联，故VL=V\(_{Z}\)，即稳压管的稳压值应根据负载电压选定。R是限流电阻，由图可知，流过R的电流IR=I\(_{Z}\)＋IL，R一经确定，I\(_{R}\)被IZ和I\(_{L}\)分流，若IL增大，I\(_{Z}\)就减小，但IZ不能太小，至少应能维持管子击穿电压V\(_{Zmin}\)；反之，若IL减小，I\(_{Z}\)就增大，但也不应超过管子最大电流VZmax，显然当负载开路（I\(_{L}\)＝0）时，IZ最大，管子承受最大功耗P\(_{Zmax}\)。由图还可得到关系式IR＝（V\(_{S}\)－VZ）／R，由于电网电压波动，当V\(_{S}\)降低引起IR减小时，R的选择应能给出维持V\(_{Zmin}\)所必需的电流IZmin；而当V\(_{S}\)升高引起IR增大时，R的选择又不致使稳压管工作电流超出I\(_{Zmax}\)。于是，我们可写出确定R值的关系式：

上述分析可知，图4这种稳压电路只适用于小功率负载，且要求负载电流的变化范围严格地控制在I\(_{Zmin}\)～IZmax之间，否则V\(_{Z}\)就无法保持。

对于大功率负载伪稳压电路，必须将稳压二极管和晶体管结合使用。图5是一个晶体管和一个硅稳压管构成的射极输出器型稳压电路，其负载能力比图4电路要大些，且稳压特性也要好些，但仍不适用于稳定度要求较高的大功率负载。图6是常用的串联调整式（简称串调式）稳压电路的典型结构，稳压管在这里仍然是提供基准电压V\(_{Z}\)，无论由于输入电压VS的波动或是由于负载电流I\(_{L}\)的变化引起的输出电压VL的变化，均经电阻R\(_{1}\)、R2分压后送入比较放大器与V\(_{Z}\)进行比较，两者相比后的误差电压经放大后去控制电压调整管，使调整管的管压降增大或减小，从而使输出电压VL基本恢复到原来的数值。这种电路适用于大功率负载，且稳定度较高。串调式是由于电压调整管与负载串联而得名，显然图5可算是最简单的单调式稳压电路。而如图4中，稳压管是与负载并联的，因而叫做并联式稳压电路，同样亦有用晶体管和稳压管构成的并联调整式稳压电路。

由于硅稳压管可在准确的电压下击穿，因而用作限制或保护器件特别适宜。譬如图4电路也可看作保护电路，它用硅稳压管保护了负载不受电源浪涌的影响，使负载电压始终稳定在V\(_{Z}\)。同样，可将硅稳压管并接在表头两端以保护表头，如图7。只要选VZ稍高于表头满刻度偏转的电压V\(_{0}\)，当加到表头两端的电压大于VZ时，稳压管就击穿而分流，避免了表头突然过流而受损伤。在脉冲电路中，也常常将两个硅稳压管背靠背连接，对交流信号进行限幅，如图8。只要输入交流信号V\(_{S}\)幅度大于稳压管的VZ，输出信号将被切成方波。

硅稳压管的应用很广泛，目前一些晶体管电路中还将它用作级间耦合，或直接用在偏置电路里，以稳定晶体管直流工作点等等。(金国钧 编译)