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齐纳二极管的工作原理和应用

齐纳二极管又叫稳压二极管,二极管由管芯、管壳和两个电极构成。管芯就是一个PN结,在PN结的两端各引出一个引线,并用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳,就构成了晶体二极管,如下图所示。P区的引出的电极称为正极或阳极,N区的引出的电极称为负极或阴极。

二极管是什么?
齐纳二极管又叫稳压二极管,二极管由管芯、管壳和两个电极构成。管芯就是一个PN结,在PN结的两端各引出一个引线,并用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳,就构成了晶体二极管,如下图所示。P区的引出的电极称为正极或阳极,N区的引出的电极称为负极或阴极。



一、齐纳二极管的工作原理
齐纳二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。其伏安特性,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。

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。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。

导致反向击穿的一个机制是avalanche multiplication.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.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由很大的影响。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。


二、齐纳二极管(稳压二极管)的应用

1、浪涌保护电路:稳压管在准确的电压下击穿,这就使得它可作为 限制或保护之元件来使用,因为各种电压的稳压二极管都可以得到,故对于这种应用特别适宜.图中的稳压二极管D是作为过压保护器件.只要电源电压VS超过二 极管的稳压值D就导通,使继电器J吸合负载RL就与电源分开。


2、电视机里的过压保护电路:EC是电视机主供电压,当EC电压过高时,D导通,三极管BG导通,其集电极电位将由原来的高电平(5V)变为低电平,通过待机控制线的控制使电视机进入待机保护状态。

3、电弧抑制电路:在电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管(也可接入一只普通二极管原理一样)的话,当线圈在导通状态切断时,由于其电磁能释放所产 生的高压就被二极管所吸收,所以当开关断开时,开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多,如一些较大功率的电磁吸控制电路就用到它。


4、串联型稳压电路:在此电路中,串联稳压管,BG的基极被稳压二极管D钳定在13V,那么其发射极就输出恒定的12V电压了.这个电路在很多场合下都有应用。


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