齐纳二极管。工作、符号和V-I特性

齐纳二极管是什么?

齐纳二极管是硅半导体器件,可以允许电流在正向和反向的方向通过。与p-n结二极管不同的是,它们的设计方式是在不损坏自身的情况下处理反向击穿电压。

稳压二极管

它们比正常的p-n结二极管严重掺杂,因此形成非常薄的损耗区。这使得它们能够在相对较低的电压(通常小于4V)下反向击穿。此外,反向击穿后,它们之间的电压保持相当恒定。这使它适合用作稳压器。

齐纳二极管的符号
图片来源:Engineeringedge

在反向偏置过程中,它只引导一个小的泄漏电流。如果反向模式的电压增加到指定的击穿电压(Vz),那么,电流从二极管开始流动。串联电阻表示电流先达到最大,然后稳定下来,然后在较宽的施加电压范围内保持恒定。

齐纳二极管的符号

该图显示齐纳二极管的标准符号,阳极和阴极分别标记在各自的侧面。在实际的器件中,阴极用粗线表示。-iz表示齐纳击穿后的反向电流流。

齐纳二极管的V-I特性

当阳极连接到电源的正极时,它被认为处于正向偏置,当阳极连接到电源的反向偏置模式的负极时。

齐纳二极管的V-I特性,正向特性,反向特性
齐纳二极管的V-I特性。

齐纳二极管的正向特性年代

当正向偏压时,它的工作原理类似于p-n结二极管。它的偏置电压在0.3V0.7V之间。它具有正向偏倚特征,这种特征表现在V-I特征的第一个四行体中。

齐纳二极管的反向特性年代

即使在反向偏置条件下,也有少量泄漏电流流过齐纳二极管。当反向电压增加并达到特定水平时,它开始以反向偏置模式导电而不被损坏。在这一点上,电流急剧增加到最大值,这是由电路元件决定的。齐纳二极管从反向阻塞状态转换为反向导电状态时的电压称为齐纳电压。

在反向导电状态下,它的导电电压范围很广。无论电流如何流动,导线上的压降保持恒定。

齐纳二极管的雪崩击穿

这种击穿不仅发生在齐纳二极管中,也发生在高反向电压下的正常二极管中。如果P-N结施加高反向电压,则电子以高速度移动,因为它们获得了足够的能量。

当这些自由电子被高速加速时,原子之间就会发生碰撞,更多的电子被撞掉。当碰撞持续发生时,电子不断被撞掉,这导致二极管中的电流以连续的速度增加。由于电流的突然增加,正常的二极管可能被永久破坏,但它有能力维持电流的突然增加。

齐纳二极管的齐纳击穿

当反向偏置电压和另一个齐纳电压接近时,损耗区电场增大,从价带拉出更多的电子。由于损耗区电场密度高,价带中的电子与母原子分离。在这一点上,少量的电压增加足以迅速增加电流到齐纳击穿区域,击穿就发生了。

齐纳二极管的规格

击穿电压:击穿电压范围从2.4伏到200伏。

当前(max)工业区:它表示额定齐纳电压下的最大电流,Vz的值从200微安到200安培。

当前工业区(分钟):二极管击穿所需的最小电流值。

额定功率:它表示二极管所消耗的最大功率。它是通过二极管的电压和电流量。

温度稳定性:二极管的最佳温度稳定性需要5V。

齐纳二极管的应用

齐纳二极管的主要应用有:

  • 电压调整
  • 过电压保护
  • 限幅器电路
  • 电压变化

齐纳二极管稳压器:

稳压器的目的是保持恒定的负载电压,而不考虑负载电流和电源电压的变化。在齐纳二极管的情况下,齐纳电压使其具有电压调节能力。在反向传导模式下,齐纳二极管保持其两端的电压恒定,同时调节通过它的电流。因此,与它并联的负载电压保持恒定。

过电压保护功能:

齐纳二极管与可控硅相结合可以降低过电压造成的损坏风险。当电压超过齐纳电压时,二极管开始传导并触发可控硅,并为过电压到地面提供一个低电阻路径,从而保护负载免受严重损坏。

齐纳二极管过电压保护电路
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削波电路

两个齐纳二极管背对背连接可以作为一个波形剪切器。这有助于减轻峰值电压对负载的影响。

总结

齐纳二极管被设计成在反向偏置模式下安全运行,并在偏置电压高于齐纳电压时进行大量的反向电流。齐纳电压是反向偏置时二极管开始导通的最小电压。在众多的应用中,电压调节是齐纳二极管最重要的应用。

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