齐纳二极管是一种特殊类型的硅半导体器件，工作在齐纳击穿区。这篇文章将详细讨论什么是齐纳二极管，它的参数，它是如何工作的，作为电压调节器，剪切器和电压移位器的应用。
齐纳二极管是什么
一般来说，二极管是半导体器件，当正向偏置时允许电流流动，当反向偏置时提供电阻。齐纳二极管是一种特殊类型的二极管，其中一个临界反向电压和较大的反向电流可以流动。
当施加的电压高于击穿电压时，它开始在反向偏置条件下导电，这个电压称为齐纳击穿电压。它是以1905年发明它的美国物理学家克拉伦斯M齐纳的名字命名的。
图1 -齐纳二极管简介
它包含一个重掺杂的P-N结，因此有一个薄的耗尽区域。它允许电子从p型材料的价带进入n型材料的导带。换句话说，它比其他P-N结二极管允许更多的电流。它以反向击穿电压开始导电，并继续在反向偏置模式下工作。
这种类型的二极管是有利的，因为电压降在很宽的电压范围内保持恒定。齐纳二极管及其符号的伏安(VI)特性曲线如图2所示。说明当反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻较大，反向漏电流极小。但当反向电压超过时，反向电流会突然上升，称为击穿，反向电阻会突然下降到一个很小的值。
图2 - VI特性和符号
齐纳二极管参数
各种参数都会影响VI特性。它们是:
- 最大齐纳电流
- 最小齐纳电流
- 额定电压
- 功耗
影响其性能的其他参数有正向电流、正向电压和封装类型等。
最大齐纳电流
它被定义为在齐纳击穿电压下可以通过齐纳二极管的电流。
最小齐纳电流
它是在击穿区传导齐纳二极管所需要的电流。
额定电压
齐纳击穿电压也称为标称工作电压。它是齐纳二极管选择的重要参数之一。
功耗
这是齐纳二极管可以耗散的最大功率。功率损耗是齐纳二极管选择时需要考虑的一个重要参数，因为过高的功率额定值会导致温度过高，从而导致器件的永久性损坏。
齐纳二极管是如何工作的
该装置的工作原理是齐纳效应，这意味着由于电子量子隧穿在高掺杂P-N区域之间的短空间内，会发生反向传导。在正常二极管中，当施加电压超过击穿电压时;它导致二极管的永久性损坏。但是，在齐纳二极管中，击穿电压没有那么高，不会导致器件的永久损坏。
图3 -工作原理示意图
基本上，低于6伏的电压调节值称为齐纳击穿在这一阶段，二极管的温度系数为负，即当温度上升时，损耗层减少。在这个狭窄的损耗区，原子的价电子能量上升，较小强度的电场可以激发原子的价电子产生齐纳击穿。
损耗层较宽时，电场强度越大，温度越高;晶格原子的能量增加，阻碍了载流子的运动，产生雪崩击穿。雪崩击穿只发生在反向电压增加时，因此温度系数为正。
齐纳二极管的应用
它能承受高电压而不被损坏的能力在现代电子电路中创造了多种应用。以下是三种主要的应用:
- 电压调整器
- 限幅器
- 移电压器
使用齐纳二极管作为电压调节器
电压调节器的主要应用是提供恒定的输出电压，而不管负载电流或电源电压的不稳定性所产生的能量的变化。
图4说明了齐纳二极管的电压调节特性。R1电阻串联到齐纳二极管上。二极管以反向偏置连接以调节电压。
图4 -稳压电路
电阻R1的计算公式如下所示。
R1 = (V在- - - - - - Vz) /我z
在那里,
- 我z齐纳电流
- Vz=齐纳/输出电压
- V在=输入电压
- R1 =电阻
根据公式，很容易确保所选电阻的值不会导致电流流量高于齐纳电流。
使用齐纳二极管作为快刀
剪切电路用于防止输出电压超过预定电压而不改变输入信号或波形。当施加电压低于齐纳击穿电压时，齐纳二极管起正常二极管的作用。因此被广泛应用于裁剪电路中。
图5 -快刀电路
裁剪电路可以被设计成在正极、负极或两个区域裁剪信号。齐纳二极管用于截取输出信号，而与输入波形无关。如果该器件用于剪辑剪辑电路的正摆，那么它可以防止电压超过齐纳击穿电压而不改变输入波形。
在剪辑电路的负摆动期间，它作为一个正常的硅二极管和剪辑输出电压。以夹住输出信号的正、负摆动;采用双齐纳裁剪电路。
使用齐纳二极管进行电压转换
电压转换电路，帮助转换信号从一个电压域到另一个。他们有能力保持稳定的输出电压，而不考虑输入电压，使他们成为一个理想的元件作为电压转换器。该器件在电压转换器电路通过一个等于齐纳击穿电压的值来最小化输出电压。电压转换器电路的一个例子如下图6所示。
图6 -电压转换电路
齐纳二极管的优点
优点包括:
- 它们比其他类型的二极管更便宜。
- 无论输入电压如何，它都能保持稳定的输出电压。
- 当正向偏压时，它可以作为普通硅二极管使用。
- 它们具有非常高的功耗能力。
- 他们有非常高的标准。
- 由于体积小，它们可以用于较小的电子设备。
齐纳二极管的缺点
缺点是:
- 这些二极管在较高的负载电流下效率较低。
- 它们的调压比相对较差。
- 当用作电压调节器时，由于齐纳电阻，直流输出总是有轻微的变化。
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