齐纳二极管

当一个重掺杂的 p-n 结二极管在反向击穿区工作时，它被称为齐纳二极管。齐纳二极管的制造使其能够轻松地在反向击穿区工作。

齐纳二极管的符号如下所示

齐纳二极管的优点是它可以在反向偏置模式下持续工作而不会损坏。齐纳二极管用于各种应用，例如稳压器、电压移位器、稳压器等。

首先，让我们讨论一下更好地理解齐纳二极管概念及其反向击穿过程所需的常见术语。

掺杂

掺杂是指向物质或材料添加杂质的过程。添加杂质的目的是提高物质的电学和结构性能。

重掺杂

杂质浓度高的物质称为重掺杂物质。它增加了载流子数量，从而进一步增加了材料的导电性。

反向偏置

反向偏置允许非常小的电流流过二极管，而正向偏置允许大电流流过二极管。

齐纳二极管的反向偏置机制并非破坏性的。大反向电流和电压波动产生的过热可能会导致二极管失效。

为什么选择反向偏置而不是正向偏置？

齐纳二极管中的正向电流很容易允许电流在二极管中流动。在这种情况下，曲线通常是指数级的。过大的电流可能会因发热而损坏二极管结。因此，在齐纳二极管中，反向偏置不适合击穿机制。

为什么齐纳二极管的 p-n 结是重掺杂的？

齐纳二极管的 p-n 结是重掺杂的，以获得窄的耗尽区。窄的耗尽区允许离子轻松地从外部电源获得能量。在反向偏置下，齐纳二极管的结电势会增加。这导致通过齐纳二极管的电流增加。

让我们详细讨论一下。

齐纳电压值是一个重要因素。结温升高会导致齐纳电压值降低，这是二极管在反向偏置下更好工作的基本要求。我们可以通过调整耗尽区的厚度来控制它。因此，为了维持耗尽区的厚度，二极管是重掺杂的。这意味着重掺杂区域可以表现为齐纳击穿区域，而轻掺杂的 p-n 结则不能。

现在，让我们首先讨论 p-n 结概念以及反向偏置对 p-n 结的影响。

P-N 结

当 p-n 结连接到外部电压时，它被认为是偏置的。p-n 结上的偏置可以是正向偏置或反向偏置。当电池的正极和负极分别连接到电池的 p 侧和 n 侧时，该结被认为是正向偏置。

类似地，当电池的正极和负极分别连接到 n 侧和 p 侧时，该结被认为是反向偏置。

让我们详细讨论 p-n 结的反向偏置条件。

P-N 结中的反向偏置条件

当负电压施加到 p 型半导体时，结中价带的势能会增加。势能的增加导致价带边缘升高，如下图所示

上图描绘了费米能级的分裂，并向下弯曲，从 p 区到 n 区。

由于价带边缘的升高，n 侧的电子和 p 侧的空穴发现了增宽的势垒，如下图所示

因此，结中的多数载流子不会在相对移动的端点饱和，也不会对复合电流做出贡献。只有少数载流子空穴和电子获得能量并产生称为反向饱和电流的复合电流。

P-N 结二极管在反向电流中提供高电阻，这归因于结附近的碰撞。在反向偏置下，漂移电流与扩散电流相比减小。

齐纳二极管

齐纳二极管中施加的电场很大，耗尽区的宽度非常小。对于 5V 的小偏置电压，情况也是如此。大电场和耗尽宽度允许电子从重掺杂 p-n 结的 p 型的价带隧穿到 n 型的导带。

施加反向偏置的普通二极管会永久损坏二极管。齐纳二极管的特性与其他二极管相似，但经过特殊设计，具有降低的击穿电压。这种电压称为齐纳电压。穿过齐纳二极管的电流接近齐纳电压。因此，它用于不同的应用，如稳压、稳压器等。

操作

齐纳二极管的结构如下所示

上图描绘了反向偏置下 p-n 结的连接。它是一个简单的 p-n 结二极管，但经过重掺杂。这意味着向半导体添加了额外的杂质。

齐纳二极管的 V-I 特性曲线如下所示

二极管在正向偏置时工作，如同普通二极管。在反向偏置的情况下，

反向偏置的增加会增加通过二极管的电流。串联在二极管上的电阻器会维持电流并防止二极管损坏。一旦电路中的电压达到最大值，限流电阻就会稳定电压水平并使其在一定时间内保持恒定。当电压达到降低的击穿电压或齐纳电压时，电场会变得很强。产生的电场足以激发价带中的电子。齐纳二极管电压的微小增加会导致电流急剧尖峰。

让我们详细讨论齐纳二极管的击穿机制。

齐纳击穿

P-N 结的击穿是在反向偏置下电流的急剧增加。这种电压称为击穿电压。

齐纳击穿机制取决于掺杂。这意味着较高的掺杂会降低齐纳二极管的击穿电压。齐纳二极管具有小的耗尽宽度。由于其高耗尽电场，重掺杂 p-n 结中的少数载流子可以很容易地隧穿耗尽区。隧穿为少数载流子提供了加速。这些载流子与结附近的可用施主和受主离子碰撞，产生更多的电子-空穴对。这种大量电子-空穴对的产生会增加反向饱和电流，称为齐纳击穿。

我们知道电子从价带跳跃到导带。同样，在这种反向机制中，电子从 p 区的满价带态隧穿到 n 区的空态。因此，在这种情况下，结不会损坏。反向偏置移除后，它会恢复到原始状态。

齐纳二极管的特性

• 齐纳二极管可以在正向、击穿和漏电模式下工作。但是，它经过专门设计，可以在击穿区工作。
• 只要外部电路限制了通过它的电流，齐纳二极管就可以安全工作。但是，该值应小于最大额定齐纳电流或烧毁电流值。

齐纳二极管的应用

让我们讨论一些齐纳二极管的常见应用。

电压移位器

齐纳二极管是允许电流从阳极流向阴极，反之亦然的二极管。电压移位器的电压移动能力允许不同电压要求之间的兼容性。电压移位器的连接方式是阳极（齐纳二极管的正极）连接到输出端，而阴极连接到带有下拉电阻的源。

稳压器

齐纳二极管在反向偏置下工作。在稳压器中使用齐纳二极管可以提供恒定的输出电压，而不是不同的电压波动。它可以在高电压下保护设备免受损坏。让我们详细讨论齐纳二极管在稳压器中的使用。

稳压器电路如下所示

串联的电阻器与二极管连接，以防止其过载。这种电阻器也称为限流电阻。

波形削波器

在波形削波器电路中，齐纳二极管用作偏置二极管，其中电路中的偏置电压等于击穿电压。让我们讨论齐纳二极管在波形削波器中的作用。

波形削波器由串联齐纳二极管的电阻组成。电阻器可防止二极管过载。如上所示，有两个二极管反向连接。二极管的连接方式是在正负输入周期都提供齐纳电压削波。要获得单一输出周期（正向或负向），我们可以在电路中使用单个齐纳二极管。

输入周期包括正半周和负半周。在周期的正半周期间，一个二极管反向偏置，另一个正向偏置。在负半周期间也发生类似情况。在这种情况下，输出波形被削波，因为它是齐纳电压和 0.7V 的正向电压之和。

齐纳二极管的优点

齐纳二极管允许电流在正向和反向两个方向流动。对于其他二极管，电流只能在一个方向上流动。

齐纳二极管的优点列于下

• 成本低廉
  与其他类型的二极管相比，齐纳二极管的成本较低。
• 电压保护
  齐纳二极管广泛用于稳压器和波形削波器。它在稳压器中的应用可提供无波动、恒定的输出电压。因此，即使在高电压下，它也能为设备提供电压保护。
• 用于小型电路
  齐纳二极管用作分流稳压器，这是一个稳压的小电路。它也可以用作小型电路中的参考元件。
• 电压移位
  齐纳二极管可用于移位电压电平。
• 产生稳定的电压
  在限流源电阻的帮助下，齐纳二极管可以稳定输出电压，并且纹波很低。电压稳定可以在不同的负载条件下发生。
• 兼容性
  齐纳二极管是一种常见的电子设备，成本低廉，电压控制更好。它还可以从电路中吹走过多的电流。
• 性能
  齐纳二极管甚至可以在高电压下工作。齐纳二极管的尺寸很小，可以快速允许电流通过电路。

齐纳二极管的缺点

齐纳二极管的缺点列于下

• 重负载时效率低下
  齐纳二极管在重负载下运行时会在电路中造成一些功率损耗。
• 低峰值反向电压
  低峰值反向电压表示二极管能承受的最大反向偏置电压。因此，齐纳二极管不适合用于整流。齐纳二极管主要用于稳压应用。

雪崩击穿

我们已经讨论了齐纳二极管。现在让我们讨论雪崩击穿。

雪崩击穿是由耗尽区中施主和受主离子的冲击电离引起的。它主要在轻掺杂的 p-n 结中观察到。耗尽宽度较大。

少数载流子与施主和受主碰撞产生电子-空穴对的过程称为冲击电离。这些电子-空穴对几乎在耗尽区的中间部分产生。高电场会快速分离产生的电子-空穴对。它会进一步碰撞更多的载流子离子，从而产生更多的电子和空穴。这会进一步导致大的反向饱和电流。反向偏置增加导致反向电流急剧增加的这个阶段称为雪崩击穿。

齐纳击穿与雪崩击穿

有两种击穿机制，称为雪崩击穿和齐纳击穿。但是，这两种击穿机制都不是破坏性的。这两种机制的区别在于反向偏置下的击穿取决于耗尽区内外可用的少数载流子。

现在让我们讨论这两种机制之间的区别，以便更好地理解。

下方图片显示了齐纳击穿和雪崩击穿的 VI 特性曲线差异

这清楚地表明，与雪崩击穿相比，齐纳击穿的曲线更陡峭。