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书本上学不来的关于齐纳二极管的使用经验

发布时间:2019-05-24 责任编辑:wenwei

【导读】齐纳二极管(Zener diode),又叫稳压二极管,利用PN结反向击穿状态,其电流可在很大范围内变化而电压基本不变,因此,常用来制成起稳压作用的二极管。很多初学者常常不能从根本上很好地理解其工作过程,因此,在应用上带来困惑。
 
在通常情况下,反向偏置的PN结中只有一个很小的电流。这个漏电流一直保持一个常数,直到反向电压超过某个特定的值,超过这个值之后PN结突然开始有大电流导通(图1)。这个突然的意义重大的反向导通就是反向击穿,如果没有一些外在的措施来限制电流的话,它可能导致器件的损坏。
 
反向击穿通常设置了固态器件的最大工作电压。然而,如果采取适当的预防措施来限制电流的话,反向击穿的结能作为一个非常稳定的参考电压。 
 
书本上学不来的关于齐纳二极管的使用经验
图1. PN结二极管的反向击穿
 
导致反向击穿的一个机制是avalanche multiplication(雪崩倍增)。考虑一个反向偏置的PN结。耗尽区随着偏置上升而加宽,但还不够快到阻止电场的加强。强大的电场加速了一些载流子以非常高的速度穿过耗尽区。当这些载流子碰撞到晶体中的原子时,他们撞击松的价电子且产生了额外的载流子。因为一个载流子能通过撞击来产生额外的成千上外的载流子就好像一个雪球能产生一场雪崩一样,所以这个过程叫avalanche multiplication。
 
反向击穿的另一个机制是tunneling(隧道效应)。Tunneling是一种量子机制过程,它能使粒子在不管有任何障碍存在时都能移动一小段距离。如果耗尽区足够薄,那么载流子就能靠tunneling跳跃过去。Tunneling电流主要取决于耗尽区宽度和结上的电压差。Tunneling引起的反向击穿称为齐纳击穿。
 
结的反向击穿电压取决于耗尽区的宽度。耗尽区越宽需要越高的击穿电压。就如先前讨论的一样,掺杂的越轻,耗尽区越宽,击穿电压越高。当击穿电压低于5伏时,耗尽区太薄了,主要是齐纳击穿。当击穿电压高于5伏时,主要是雪崩击穿。
 
设计出的主要工作于反向导通的状态的PN二极管根据占主导地位的工作机制分别称为齐纳二极管或雪崩二极管。齐纳二极管的击穿电压低于5伏,而雪崩二极管的击穿电压高于5伏。通常工程师们不管他们的工作原理都把他们称为齐纳管。因此主要靠雪崩击穿工作的7V齐纳管可能会使人迷惑不解。
 
实际上,结的击穿电压不仅和它的掺杂特性有关还和它的几何形状有关。以上讨论分析了一种由两种均匀掺杂的半导体区域在一个平面相交的平面结。尽管有些真正的结近似这种理想情况,大多数结是弯曲的。曲率加强了电场,降低了击穿电压。曲率半径越小,击穿电压越低。这个效应对薄结的击穿电压有很大的影响。大多数肖特基二极管在金属-硅交界面边缘有一个很明显的断层。电场强化能极大的降低肖特基二极管的测量击穿电压,除非有特别的措施能削弱Schottky barrier边缘的电场。
 
图2是以上所讨论的所有的电路符号。PN结用一根直线代表阴极,而肖特基二极管和齐纳二极管则对阴极端做了一些修饰。在所有这些图例中,箭头的方向都表示了二极管正向偏置下的电流方向。在齐纳二极管中,这个箭头可能有些误导,因为齐纳管通常工作在反向偏置状态下。对于casual observer来说,这个符号出现时旁边应该再插入一句“方向反了”。 
 
书本上学不来的关于齐纳二极管的使用经验
图2  PN结,肖特基,和齐纳二极管的电路图符号。有些电路图符号中箭头是空心的或半个箭头
 
经常看到有问关于稳压管(齐纳管)的问题,所以略做总结:
 
齐纳管一般有两种用法(以下IZ为工作电流,UZ为标称稳压电压,UW为实际工作电压):1 正常工作时处于"导通"状态,IZ≥0.1mA量级,此时齐纳管起稳压作用,UW≈UZ。2 正常工作时处于"截止"状态,即UW
 
其实常用齐纳管主要分两类,一类就是通常所谓的"稳压管",另一类是TVS类器件。前者通常是第一种用法,后者通常是第二种用法。但也不绝对,两者只是特性参数各有特点。普通的稳压管同样可以用作保护器件,只是响应速度差一些,不适合需要抑制极高速度脉冲干扰的场合。TVS也可以拿来当稳压管用,当然也有不合适的。
 
总结一下,初学者常犯如下几种错误: 
 
1. 把齐纳管特性想得太美好:当UW7V),那曲线还凑合,换个低压的,例如3V的,那实际曲线真是够"柔美"的,1.5V电压时就有很大电流了,直到IZ增加到数十mA,UZ才懒洋洋地达到标称值,简直就是个抛物线嘛。
 
2. 用齐纳管做保护的,一不懂世间万事皆有代价,这里的代价就是漏电流IR("截止"状态下的IZ):IR>0;二不懂世间万事皆须留有余地,这里的余地就是确保"截止"的电压余量UM:UM=UZ-UW>0(IR→很小);三不懂世间万事皆有弹性(让步),这里的弹性就是导通状态下UW随着IZ增加的增量UP:UP=UW-UZ>0(IR→很大)。而且即使留了余地,付出了代价,仍然要做让步。要减小IR,就要提高ΔU,也就是选高UZ的管子,但这样又会降低保护的"力度"。
 
3. 不明白齐纳管动态内阻dV/dI>0,即UZ会随IZ增加。这就不多说了。
 
4. 不明白齐纳管的反应是比较迟钝的,UW变化了,IZ并不会立即跟着变,而是有延迟。而且有结电容,而且结电容有时还相当大。按教科书上的电路图,把齐纳管接到运放反馈臂上做限幅,还为自己能灵活运用运放的负反馈技术而沾沾自喜。但输入个几MHz的方波后,发现输出全不是那么回事,就懵了。
 
 从这几条可以总结出一些原则:
 
1. 尽量避免使用低压齐纳管。
2. 用齐纳管做保护要合理选择UZ,使UWMAX+UM
3. 设计电路要有"动态"的概念,电路跟人,跟一切机器一样都有反应迟钝的问题,区别只在于"更迟钝"和"更不迟钝"。
4. 记住墨菲定律:"事情凡是能够更糟糕的,就一定会更糟糕"。
 
附:稳压管典型稳压电路分析
 
下图中D1为稳压二极管,与负载R2并联,R1为限流电阻。 
 
书本上学不来的关于齐纳二极管的使用经验
 
若电网电压升高,即电路的输入电压Vin也随之升高,引起负载电压Vout升高。由于稳压管D1与负载R2并联,Vin只要有一点增长,就会使流过稳压管的电流急剧增加,使得I也增大,限流电阻R1上的电压降增大,从而抵消了Vout的升高,保持负载电压Vout基本不变。反之,若电网电压降低,引起Vin下降,造成Vout 也下降,则稳压管中的电流急剧减小,使得I减小,R1上的压降也减小,从而抵消了Vin的下降,保持负载电压Vout基本不变。 若Vin不变而负载电流增加,则R1上的压降增加,造成负载电压Vout下降。Vout只要下降一点点,稳压管中的电流就迅速减小,使R1上的压降再减小下来,从而保持R1上的压降基本不变,使负载电压Vout得以稳定。可以看出,稳压管起着电流的自动调节作用,而限流电阻起着电压调整作用。综上可见稳压管的动态电阻越小,限流电阻越大,输出电压的稳定性越好。
 
 
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