齊納二極管
穩(wěn)壓二極管，英文名稱Zener diode，又叫齊納二極管。利用pn結(jié)反向擊穿狀態(tài)，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變的現(xiàn)象，制成的起穩(wěn)壓作用的二極管。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。在這臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值，在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定，穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來(lái)分檔的，因?yàn)檫@種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)以便在較高的電壓上使用，通過(guò)串聯(lián)就可獲得更高的穩(wěn)定電壓。
原理
穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線的正向特性和普通二極管差不多，反向特性是在反向電壓低于反向擊穿電壓時(shí)，反向電阻很大，反向漏電流極小。但是，當(dāng)反向電壓臨近反向電壓的臨界值時(shí)，反向電流驟然增大，稱為擊穿，在這一臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻驟然降至很小值。盡管電流在很大的范圍內(nèi)變化，而二極管兩端的電壓卻基本上穩(wěn)定在擊穿電壓附近，從而實(shí)現(xiàn)了二極管的穩(wěn)壓功能。
特點(diǎn)
穩(wěn)壓二極管的特點(diǎn)是工作于反向擊穿狀態(tài)，具有穩(wěn)定的端電壓。與普通二極管不同的是，穩(wěn)壓二極管的工作電流是從負(fù)極流向正極，如圖2-58（a）所示。從圖2-58（b）所示穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線可見，穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿后，其端電壓在一定范圍內(nèi)保持不變的原理工作的。只要反向電流不超過(guò)其最大工作電流，穩(wěn)壓二極管是不會(huì)損壞的。
應(yīng)用
1）典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路
在此電路中，三極管T的基極被穩(wěn)壓 二極管D穩(wěn)定在13V，那么其發(fā)射極就輸出恒定的13-0.7=12.3V電壓了，在一定范圍內(nèi)，無(wú)論輸入電壓升高還是降低，無(wú)論負(fù)載電阻大小變化，輸出電壓都保持不變。這個(gè)電路在很多場(chǎng)合下都有應(yīng)用。7805就是一種串聯(lián)型集成穩(wěn)壓電路，可以輸出5V的電壓。7805-7824可以輸出5-24V電壓。在很多電器上都有應(yīng)用。
2）電視機(jī)里的過(guò)壓保護(hù)電路
115V是電視機(jī)主供電電壓，當(dāng)電源輸出電壓過(guò)高時(shí)，D導(dǎo)通，三極管T導(dǎo)通，其集電極電位將由原來(lái)的高電平（5V）變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^(guò)待機(jī)控制線的電壓使電視機(jī)進(jìn)入待機(jī)保護(hù)狀態(tài)。
3）電弧抑制電路
在電感線圈上并聯(lián)接入一只合適的穩(wěn)壓二極管（也可接入一只普通二極管原理一樣）的話，當(dāng)線圈在導(dǎo)通狀態(tài)切斷時(shí)，由于其電磁能釋放所產(chǎn)生的高壓就被二極管所吸收，所以當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，開關(guān)的電弧也就被消除了。這個(gè)應(yīng)用電路在工業(yè)上用得比較多，如一些較大功率的電磁吸控制電路就用到它。
齊納擊穿
當(dāng)PN結(jié)的摻雜濃度很高時(shí)，阻擋層就十分薄。這種阻擋層特別薄的PN結(jié)，只要加上不大的反向電壓，阻擋層內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度就可達(dá)到非常高的數(shù)值。這種很強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度可以把阻擋層內(nèi)中性原子的價(jià)電子直接從共價(jià)鍵中拉出來(lái)，變?yōu)樽杂呻娮樱瑫r(shí)產(chǎn)生空穴，這個(gè)過(guò)程稱為場(chǎng)致激發(fā)。由場(chǎng)致激發(fā)而產(chǎn)生大量的載流子，使PN結(jié)的反向電流劇增，呈現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。這種擊穿通常稱為齊納擊穿。齊納擊穿發(fā)生在摻雜濃度很高的PN結(jié)上，同時(shí)在此較低的外加電壓時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種擊穿。
當(dāng)反向電壓增大到一定程度時(shí)，空間電荷區(qū)內(nèi)就會(huì)建立一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)。這個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)能把價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來(lái)，從而在空間電荷區(qū)產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)。這些電子-空穴對(duì)產(chǎn)生后，空穴被強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)到P區(qū)，電子被強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)到N區(qū)，使反向電流猛增。這種由于強(qiáng)電場(chǎng)的作用，直接產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)而使反向電流劇增的現(xiàn)象叫做齊納擊穿。
齊納擊穿常發(fā)生在摻雜濃度比較高的PN結(jié)中，因?yàn)榇藭r(shí)空間電荷層比較薄，一個(gè)很小的反向電壓就可以在空間電荷區(qū)內(nèi)建立一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)（通常高達(dá)108V/cm）。
當(dāng)溫度升高時(shí)，電子熱運(yùn)動(dòng)加劇，較小的反向電壓就能把價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來(lái)，所以溫度上升時(shí)，擊穿電壓下降，也就是說(shuō)，齊納擊穿具有負(fù)的溫度系數(shù)。
特點(diǎn)
齊納或隧道擊穿主要取決于空間電荷區(qū)中的最大電場(chǎng)，而在碰撞電離機(jī)構(gòu)中既與場(chǎng)強(qiáng)大小有關(guān)，也與載流子的碰撞累積過(guò)程有關(guān)。顯然空間電荷區(qū)愈寬，倍增次數(shù)愈多，因此雪崩擊穿除與電場(chǎng)有關(guān)外，還與空間電荷區(qū)的寬度有關(guān)。它要求結(jié)厚。而隧道效應(yīng)要求結(jié)薄。［4］
因?yàn)檠┍罁舸┦桥鲎搽婋x的結(jié)果。如果我們以光照或是快速粒子轟擊等辦法，增加空間電荷區(qū)中的電子和空穴，它們同樣會(huì)有倍增效應(yīng)。而上述外界作用對(duì)齊納擊穿則不會(huì)有明顯影響。［4］
由隧道效應(yīng)決定的擊穿電壓，其溫度系數(shù)是負(fù)的，即擊穿電壓隨溫度升高而減小，這是由于溫度升高禁帶寬度減小的結(jié)果。而由雪崩倍增決定的擊穿電壓，由于碰撞電離率（電離率表示一個(gè)載流子在電場(chǎng)作用下漂移單位距離所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)目）隨溫度升高而減小，其溫度系數(shù)是正的，即擊穿電壓隨溫度升高而增加。
對(duì)于摻雜濃度較高勢(shì)壘較薄的PN結(jié)，主要是齊納擊穿。摻雜較低因而勢(shì)壘較寬的PN結(jié)，主要是雪崩擊穿，而且擊穿電壓比較高。
原理
齊納擊穿的物理過(guò)程與雪崩擊穿不同。當(dāng)反向電壓增大到一定值時(shí)，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)就能建立起很強(qiáng)的電場(chǎng)，它能夠直接將束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子拉出來(lái)，使勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生大量的電子—空穴對(duì)，形成較大的反向電流，產(chǎn)生擊穿。把這種在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，使勢(shì)壘區(qū)中原子直接激發(fā)的擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿。
齊納擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結(jié)中。這是因?yàn)閾诫s濃度較高的PN結(jié)，空間電荷區(qū)的電荷密度很大，寬度較窄，只要加不大的反向電壓，就能建立起很強(qiáng)的電場(chǎng)，發(fā)生齊納擊穿。
一般說(shuō)來(lái)，擊穿電壓小于6V時(shí)所發(fā)生的擊穿為齊納擊穿，高于6V時(shí)所發(fā)生的擊穿為雪崩 擊穿。
應(yīng)用
利用齊納擊穿可做成穩(wěn)壓二極管，又叫齊納二極管。該二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。在這臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很少的數(shù)值，在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定，穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來(lái)分檔的，因?yàn)檫@種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。
穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)以便在較高的電壓上使用，通過(guò)串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。
齊納二極管原理和齊納擊穿
在通常情況下，反向偏置的PN結(jié)中只有一個(gè)很小的電流。這個(gè)漏電流一直保持一個(gè)常數(shù)，直到反向電壓超過(guò)某個(gè)特定的值，超過(guò)這個(gè)值之后PN結(jié)突然開始有大電流導(dǎo)通（圖1.15）。這個(gè)突然的意義重大的反嚮導(dǎo)通就是反向擊穿，如果沒有一些外在的措施來(lái)限制電流的話，它可能導(dǎo)致器件的損壞。反向擊穿通常設(shè)置了固態(tài)器件的最大工作電壓。然而，如果採(cǎi)取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施來(lái)限制電流的話，反向擊穿的結(jié)能作為一個(gè)非常穩(wěn)定的參考電壓。
圖1.15 PN結(jié)二極體的反向擊穿。
導(dǎo)致反向擊穿的一個(gè)機(jī)制是avalanche mulTIplicaTIon。考慮一個(gè)反向偏置的PN結(jié)。耗盡區(qū)隨著偏置上升而加寬，但還不夠快到阻止電場(chǎng)的加強(qiáng)。強(qiáng)大的電場(chǎng)加速了一些載流子以非常高的速度穿過(guò)耗盡區(qū)。當(dāng)這些載流子碰撞到晶體中的塬子時(shí)，他們撞擊松的價(jià)電子且產(chǎn)生了額外的載流子。因?yàn)橐粋€(gè)載流子能通過(guò)撞擊來(lái)產(chǎn)生額外的成千上外的載流子就好像一個(gè)雪球能產(chǎn)生一場(chǎng)雪崩一樣，所以這個(gè)過(guò)程叫avalanche mulTIplicaTIon。
反向擊穿的另一個(gè)機(jī)制是tunneling。Tunneling是一種量子機(jī)制過(guò)程，它能使粒子在不管有任何障礙存在時(shí)都能移動(dòng)一小段距離。如果耗盡區(qū)足夠薄，那么載流子就能靠tunneling跳躍過(guò)去。Tunneling電流主要取決于耗盡區(qū)寬度和結(jié)上的電壓差。Tunneling引起的反向擊穿稱為齊納擊穿。
結(jié)的反向擊穿電壓取決于耗盡區(qū)的寬度。耗盡區(qū)越寬需要越高的擊穿電壓。就如先前討論的一樣，摻雜的越輕，耗盡區(qū)越寬，擊穿電壓越高。當(dāng)擊穿電壓低于5伏時(shí)，耗盡區(qū)太薄了，主要是齊納擊穿。當(dāng)擊穿電壓高于5伏時(shí)，主要是雪崩擊穿。設(shè)計(jì)出的主要工作于反嚮導(dǎo)通的狀態(tài)的PN二極體根據(jù)占主導(dǎo)地位的工作機(jī)制分別稱為齊納二極體或雪崩二極體。齊納二極體的擊穿電壓低于5伏，而雪崩二極體的擊穿電壓高于5伏。通常工程師們不管他們的工作塬理都把他們稱為齊納管。因此主要靠雪崩擊穿工作的7V齊納管可能會(huì)使人迷惑不解。
實(shí)際上，結(jié)的擊穿電壓不僅和它的摻雜特性有關(guān)還和它的幾何形狀有關(guān)。以上討論分析了一種由兩種均勻摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域在一個(gè)平面相交的平面結(jié)。儘管有些真正的結(jié)近似這種理想情況，大多數(shù)結(jié)是彎曲的。曲率加強(qiáng)了電場(chǎng)，降低了擊穿電壓。曲率半徑越小，擊穿電壓越低。這個(gè)效應(yīng)對(duì)薄結(jié)的擊穿電壓由很大的影響。大多數(shù)肖特基二極體在金屬－硅交界面邊緣有一個(gè)很明顯的斷層。電場(chǎng)強(qiáng)化能極大的降低肖特基二極體的測(cè)量擊穿電壓，除非有特別的措施能削弱Schottky barrier邊緣的電場(chǎng)。
圖1.16是以上所討論的所有的電路符號(hào)。PN結(jié)用一根直線代表陰極，而肖特基二極體和齊納二極體則對(duì)陰極端做了一些修飾。在所有這些圖例中，箭頭的方向都表示了二極體正向偏置下的電流方向。在齊納二極體中，這個(gè)箭頭可能有些誤導(dǎo)，因?yàn)辇R納管通常工作在反向偏置狀態(tài)下。對(duì)于casual observer來(lái)說(shuō)，這個(gè)符號(hào)出現(xiàn)時(shí)旁邊應(yīng)該再插入一句“方向反了”。
圖1.16 PN結(jié)，肖特基，和齊納二極體的電路圖符號(hào)。有些電路圖符號(hào)中箭頭是空心的或半個(gè)箭頭。
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