元器件科普之穩(wěn)壓二極管的特性以及用途

1、簡述

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)起來以便在較高的電壓上使用，通過串聯(lián)就可獲得更高的穩(wěn)定電壓。如下圖（1）所示，這是穩(wěn)壓二極管的電路圖符號(hào)，而最上面的是很常見的玻封結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓二極管實(shí)物圖。

2、特性

穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線如圖（2）所示，我們可以借助它來了解穩(wěn)壓二極管在各種偏置下的狀態(tài)。

狀態(tài)①： 正向偏置狀態(tài)。此狀態(tài)記下，穩(wěn)壓二極管的特性表現(xiàn)為普通二極管的特性，即：隨著正向偏壓的提高，正向電流變化很大、很陡！但由于VF（0.3V~0.7V左右）很小，此正向偏置狀態(tài)基本無使用價(jià)值。需要注意的是，不同的穩(wěn)壓二極管的正向壓降是不同的。

狀態(tài)②： 反向偏置狀態(tài)。此狀態(tài)下，當(dāng)反向電壓沒達(dá)到VBR之前，穩(wěn)壓二極管基本沒導(dǎo)通；而當(dāng)反向偏壓接近VBR值時(shí)，穩(wěn)壓二極管開始導(dǎo)通，產(chǎn)生IR電流。隨著反向偏壓的提高，反向電流IR也會(huì)激烈變化得很大、很陡！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。圖（2）中的黃色區(qū)域（擊穿區(qū)）就是穩(wěn)壓二極管的正常工作狀態(tài)，通常此區(qū)域?qū)?yīng)的VR區(qū)間范圍很小，此電壓就是穩(wěn)壓二極管的工作點(diǎn)、穩(wěn)壓值。

實(shí)際上，齊納二極管包括兩種擊穿電壓，分別是：齊納擊穿和需崩擊穿。在正常工作狀態(tài)下，反向偏壓較低時(shí)，對(duì)應(yīng)的反向偏壓就是齊納擊穿電壓。為了使二極管保持在穩(wěn)定狀態(tài)，必須維持最小的反向電流Iz(min)。在圖（2）的曲線上，可以見到當(dāng)反向電流低于曲線拐點(diǎn)處的電流時(shí)，電壓出現(xiàn)劇烈變化，穩(wěn)壓作用就沒有了。同樣，有一個(gè)最大電流Iz(max)超過電流，二極管就被物理性損壞，此時(shí)對(duì)應(yīng)的擊穿就是雪崩擊穿。因此，我們只要讓齊納二極管的反向電流在Iz(min) ~ Iz(max)之間，齊納二極管的兩端電壓保持近似恒定。在穩(wěn)壓二極管的DataSheet上，通常給出一個(gè)所謂齊納測(cè)試電流Iz對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱測(cè)試電壓就是Vz。

3、主要參數(shù)

3.1 Uz— 穩(wěn)定電壓

指穩(wěn)壓管通過額定電流時(shí)兩端產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓值。該值隨工作電流和溫度的不同而略有改變。由于制造工藝的差別，同一型號(hào)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值也不完全一致。例如，穩(wěn)壓二極管BZV55-C16（立創(chuàng)商城的商品編號(hào)：C128822）的Vz（min）為15.3V, Vz（max）則為17.1V。

3.2 Iz— 額定電流

指穩(wěn)壓管產(chǎn)生穩(wěn)定電壓時(shí)通過該管的電流值。低于此值時(shí)，穩(wěn)壓管雖并非不能穩(wěn)壓，但穩(wěn)壓效果會(huì)變差;高于此值時(shí)，只要不超過額定功率損耗，也是允許的，而且穩(wěn)壓性能會(huì)好一些，但要多消耗電能。

3.3 Rz— 動(dòng)態(tài)電阻

指穩(wěn)壓管兩端電壓變化與電流變化的比值，有些書也稱為“齊納阻抗”。該比值隨工作電流的不同而改變，一般是工作電流愈大，動(dòng)態(tài)電阻則愈小。例如，2CW7C穩(wěn)壓管的工作電流為 5mA時(shí)，Rz為18Ω;工作電流為10mA時(shí)，Rz為8Ω;為20mA時(shí)，Rz為2Ω ; > 20mA則基本維持此數(shù)值。

3.4 Pz— 額定功耗

由芯片允許溫升決定，其數(shù)值為穩(wěn)定電壓Vz和允許最大電流Izm的乘積。例如2CW51穩(wěn)壓管的Vz為3V，Izm為20mA，則該管的Pz為60mWo

3.5 α---溫度系數(shù)

如果穩(wěn)壓管的溫度變化，它的穩(wěn)定電壓也會(huì)發(fā)生微小變化，溫度變化1℃所引起管子兩端電壓的相對(duì)變化量即是溫度系數(shù)（單位：﹪/℃）。一般說來穩(wěn)壓值低于6V屬于齊納擊穿，溫度系數(shù)是負(fù)的；高于6V的屬雪崩擊穿，溫度系數(shù)是正的。溫度升高時(shí)，耗盡層減小，耗盡層中，原子的價(jià)電子上升到較高的能量，較小的電場(chǎng)強(qiáng)度就可以把價(jià)電子從原子中激發(fā)出來產(chǎn)生齊納擊穿，因此它的溫度系數(shù)是負(fù)的。雪崩擊穿發(fā)生在耗盡層較寬電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，溫度增加使晶格原子振動(dòng)幅度加大，阻礙了載流子的運(yùn)動(dòng)。這種情況下，只有增加反向電壓，才能發(fā)生雪崩擊穿，因此雪崩擊穿的電壓溫度系數(shù)是正的。這就是為什么穩(wěn)壓值為15V的穩(wěn)壓管其穩(wěn)壓值隨溫度逐漸增大的，而穩(wěn)壓值為5V的穩(wěn)壓管其穩(wěn)壓值隨溫度逐漸減小的原因。例如2CW58穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)是+0.07%/°C，即溫度每升高1°C，其穩(wěn)壓值將升高0.07%。

對(duì)電源要求比較高的場(chǎng)合，可以用兩個(gè)溫度系數(shù)相反的穩(wěn)壓管串聯(lián)起來作為補(bǔ)償。由于相互補(bǔ)償，溫度系數(shù)大大減小，可使溫度系數(shù)達(dá)到0.0005%/℃。

3.6 IR— 反向漏電流

指穩(wěn)壓二極管在規(guī)定的反向電壓下產(chǎn)生的漏電流。例如2CW58穩(wěn)壓管的VR=1V時(shí)，IR=O.1uA;在VR=6V時(shí)，IR=10uA。

4、穩(wěn)壓二極管的選型

要求導(dǎo)通電壓低時(shí)選鍺管；

要求反向電流小時(shí)選硅管；

要求導(dǎo)通電流大時(shí)選面結(jié)合型；

要求工作頻率高時(shí)選點(diǎn)接觸型；

要求反向擊穿電壓高時(shí)選硅管；

要求耐高溫時(shí)選硅管。

5、應(yīng)用電路（舉例）

5.1簡易穩(wěn)壓電路

此電路利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，但輸出電流很小。

5.2改進(jìn)型穩(wěn)壓電路

此電路利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，可輸出較大的電流。

5.3LED指示燈的ESD保護(hù)電路

此電路利用齊納二極管的反向偏置特性，防止LED受靜電過高而損壞。

5.4過壓保護(hù)電路

如果輸出電壓過高，此電路中的齊納二極管會(huì)導(dǎo)通，進(jìn)而觸發(fā)可控硅SCR對(duì)輸入電壓端進(jìn)行限制。

5.5信號(hào)限幅電路

如果輸入信號(hào)過大，容易損壞運(yùn)放OP，通過放置齊納二極管可對(duì)Input信號(hào)的幅度大小進(jìn)行限制。注意這種情況下，要選用反向漏電流很小的D1；而信號(hào)頻率過高的話，還要考慮D1的等效電容要足夠小。

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