大家好。我是李工。希望大家能多多支持我。今天我来讲一下齐纳二极管。

什么是齐纳二极管？

齐纳二极管属于二极管的一种。P 型半导体与 N 型半导体相互融合，从而形成了 PN 结。在 PN 结的周围，形成了具有反相离子的耗尽层。

齐纳二极管与简单二极管存在以下两点主要区别：其一，掺杂程度不同，简单二极管为中度掺杂，而齐纳二极管是重掺杂，这样能实现更高的击穿电压；其二，掺杂程度的差异有助于它们在不同电压水平下进行工作的规格设定。

齐纳二极管高掺杂，所以其导电情况特殊。与简单二极管的 PN 结相比，齐纳二极管 PN 结的耗尽层很薄。这使得齐纳二极管在正向偏置条件下可以导电，在反向偏置条件下也可以导电。

齐纳二极管实物图和电路符号

齐纳二极管电路图

齐纳二极管电路符号图

齐纳二极管工作原理

齐纳二极管在正向偏置状态下的作用与普通二极管相似。接着，当反向电压达到其额定电压时，便会准许电流反向流动。

齐纳二极管直流电压表示图

齐纳二极管用于击穿工作并充当电压调节器。因为它在特定的反向电流值范围内，其两端能保持几乎恒定的电压，而这个电压等于齐纳电压。由反向击穿所产生的齐纳二极管两端的恒定电压降，是用直流电压符号来表示的。

齐纳二极管正向偏置

齐纳二极管的正向特性与简单二极管相似，正向电流是正向压降的指数函数。正向压降有微小变化时，电流会快速上升。一般来说，在 PN 结上达到 0.8 伏的电压降，就能够使齐纳二极管处于正向偏置状态。正向偏置的齐纳二极管呈现如下情况：

正向偏置齐纳二极管

反向偏置特性

普通二极管在反向偏置模式下工作时，不会有电流通过。在这种状况下，大量电子流有可能会对二极管造成损坏。然而，在齐纳二极管里，因为其 PN 结的薄耗尽层所产生的强电场，会发生齐纳击穿。发生齐纳击穿的那个电压被称作 VZ（齐纳电压）。

根据应用以及电压的要求，所生产的齐纳二极管具备不同级别的齐纳电压。当齐纳击穿发生时，反向电压继续增加，却不会引发任何更多的电压下降，而是在特定的电压水平上保持稳定，直至雪崩击穿出现。

简而言之，反向偏置的齐纳二极管在 0V 到齐纳电压 (VZ ) 这段区间保持关闭状态，此时只有少量电流流动。从 VZ 到雪崩击穿这个阶段，施加的电压若有微小变化，就会致使反向电流迅速增加。反向偏置齐纳二极管的样子如下图所示：

反向偏置齐纳二极管

正向偏置和反向偏置条件下齐纳二极管的特性

典型齐纳二极管的特性如下图所示：

齐纳二极管工作特性-齐纳击穿，雪崩击穿

齐纳二极管的工作原理与二极管在反向偏置条件下击穿的原因相关。若要深入了解齐纳二极管的工作原理，就需要知晓齐纳二极管中存在的两种反向击穿情况，即雪崩击穿和齐纳击穿。

齐纳二极管中，击穿电压小于约 5V 的通常在齐纳击穿下工作。而那些击穿电压大于约 5V 的设备，通常是在雪崩击穿中工作。

齐纳二极管齐纳和雪崩击穿图

齐纳二极管的雪崩击穿

当给 PN 结加上高值反向电压时，自由电子获取了足够的能量，并且以高速进行加速。这些自由电子处于高速运动状态，会与其他原子发生碰撞，还会击落更多的电子。因为有这种连续不断的碰撞，二极管里的电流迅速地增大了，进而产生出大量的自由电子。

电流的这种突然增加或许会对正常的二极管造成永久性破坏。然而，齐纳二极管是被设计用于在雪崩击穿的情况下工作的，它能够承受电流的突然尖峰。并且，雪崩击穿会在齐纳电压 (Vz) 大于 6V 的齐纳二极管中发生。

轻掺杂二极管具有大击穿电压时，电压击穿会在反向偏置条件下发生，其最低为 8V。电子会流经二极管并与共价键中的电子发生碰撞，进而破坏共价键。随着电压的增加，电子的速度会提升，这使得共价键更容易被破坏。同时要注意，雪崩击穿电压会随温度升高而变化。

齐纳二极管的雪崩击穿原理图

齐纳二极管的齐纳击穿

当反向偏压接近齐纳电压时，耗尽区的电场强度能够把电子从价带中拉出来。价电子从耗尽区的强电场中获得足够能量后脱离母原子。在齐纳击穿区，电压稍微增加，就会使电流快速增加。

齐纳击穿一般会在具有大电场且低击穿电压的高掺杂二极管上出现。温度升高时，价电子会获得更多能量，所以就需要更少的外向电压。这也就意味着齐纳击穿电压会随着温度的降低而降低。

二极管齐纳击穿机制图

雪崩击穿与齐纳击穿的区别

在这里顺带总结一下齐纳击穿与雪崩击穿的区别，如下图所示：

雪崩击穿和齐纳击穿的区别图

齐纳二极管参数解读

有些特殊的齐纳二极管的某些规格参数是能够存在不同的。以下仅提及较为常见的规格参数：

齐纳电压（Vz）

齐纳电压也叫做击穿电压，它是能让二极管导通电流的反向偏置电压。击穿电压的范围一般是 2.4V 到数百伏，这要根据具体的齐纳二极管来确定。

最大电流（Iz-max）

Iz-max 是在反向击穿电压的情况下能够流过齐纳二极管的最大电流。它的范围涵盖从 200μA 到 200A 。可以通过以下公式来计算 Iz-max 。

Iz=Pz/Vz

其中，Pz 代表二极管能够处理的最大功率；Vz 则是反向击穿电压。

最小电流（Iz-min）

Iz-min 是能使齐纳二极管发生击穿所需要的最小电流量。其范围在 5mA 至 10mA 之间。

测试电流(IZ )

每个齐纳二极管的齐纳电压（VZ）是在特定的齐纳测试电流（IZ）下进行测量的。比如，有的齐纳二极管其齐纳电压范围在 4.465 至 4.935V 之间，典型值是 4.7V，测试电流为 53mA。

拐点电流(IZK )

要保持二极管击穿电压调节所需的最小电流。1 瓦齐纳二极管的典型值大概在 0.25 到 1mA 之间。倘若没有达到这个电流，二极管就无法充分地被击穿，也就无法维持其额定电压。

漏电流

反向漏电流是针对小于拐点电压的反向电压而被指定的。这表明齐纳二极管在这些测量中不会出现反向击穿的情况。例如，存在一个反向电压为 1V 的情况。

额定功率（Pz）

齐纳二极管能够安全耗散的最大功率就是其额定功率。齐纳二极管常用的额定功率有 、1mW、3mW 和 5mW 这些。那些具有高额定功率的齐纳二极管一般价格比较昂贵，并且还需要额外的设备来把多余的热量去除掉。齐纳二极管的最大功耗（Pzm）能够通过给定的公式进行计算。

Pzm=Iz*Vz

其中，最大可以流过齐纳二极管的电流是 Iz ，齐纳击穿电压是 Vz 。

齐纳电阻 (ZZ )

齐纳电阻或齐纳阻抗是齐纳二极管所提供的总电阻。从反向 VI 特性图中能明显看出齐纳电阻，因为它并非完全垂直。所以，当齐纳二极管两端电压有微小变化时，电流会有轻微变化，而此电压相对于电流就是齐纳二极管提供的电阻。理想状态下，齐纳电阻应为零，但每个齐纳二极管都会提供一定量的齐纳电阻。

齐纳二极管的齐纳阻抗由下式计算：

R=Vi-Vz/Iz

其中，Vi 代表输入电压；Iz 表示通过齐纳二极管的电流；Vz 则是齐纳击穿电压。

齐纳二极管容差

齐纳二极管的容差被定义为接近击穿电压的电压范围，在此范围内齐纳二极管在反向偏置时会传导电流。在制造稳压二极管时，同一种稳压二极管的掺杂浓度可能会稍有差异，这导致它们的击穿电压有细微差别。所以同一种稳压二极管在不同的反向击穿电压值下会导通反向电流，而齐纳击穿电压的这个范围就是它们的容差。通常，齐纳二极管的电压容差为±5%。

温度系数 (TC)

齐纳二极管会受到温度变化的影响，而这种温度变化与它的电压温度系数相关。温度系数的作用是指明每次温度发生变化时齐纳电压的百分比变化情况。对于某一给定的结温变化（%/℃），用来计算齐纳电压变化的公式是：

Vz 是标称齐纳电压，TC 是温度系数，ΔT 是温度变化

如果温度系数以 mV/℃ 表示，则 ΔVz 为：

正温度系数表明齐纳电压的变化和温度的变化是成比例的。所以，负温度系数意味着齐纳电压与温度的变化呈相反的比例关系。

结温

二极管的可靠性需要保证，而二极管结温是关键。外壳可能足够冷，但活动区域可能会很热。所以，一些制造商规定了结本身的工作范围。在正常设计中，通常会在设备内的最大预期温度和结之间预留适当的余量。设备内部温度会比设备外部温度高。即便设备外部的环境温度是可以接受的，但必须留意确保单个物品不会过热。

封装

齐纳二极管有多种不同的封装。主要的选择在于表面贴装和传统的通孔器件之间。然而，所选择的封装通常会对封装的散热水平产生决定作用，而封装是依据器件内部散热水平的要求来进行选择的，具体情况可参考相关齐纳二极管的相关内容。

齐纳二极管功能讲解+齐纳二极管使用图解

齐纳二极管的功能十分强大，在电路中有大量的应用。

下面列举出其中的一些：

电压参考

齐纳二极管电路最基本的组成部分是一个齐纳二极管和一个电阻。齐纳二极管能提供参考电压，然而必须要有一个串联电阻来对流入二极管的电流进行限制，要是没有这个串联电阻，大量电流就会流过齐纳二极管，并且有可能会导致齐纳二极管被破坏。

要计算齐纳二极管电路中的电阻值，需给出所用电源电压所需的电流值。通常情况下，多数低功率引线齐纳二极管的最大功耗为 400 mW。在理想状态下，电路的耗散量应小于 400 mW 的一半。不过，要让电路正确运行，流入齐纳二极管的电流不应低于约 5 mA，否则齐纳二极管不能正确调节。

基本电压基准齐纳二极管电路

稳压器

齐纳二极管用作稳压器/稳压器

相关计算公式

对于给出的电路图而言，要在 1KΩ 负载下产生 7.5V 的输出，至少需要 12V 的 V DC。

借助运算放大器，能够设计出一个经过改进的电压调节电路，此电路如下图 6 所示。

使用齐纳二极管和运算放大器的改进电压调节电路

齐纳二极管被放置于运算放大器的非反相输入端，其作用是将齐纳电压设定为参考电压（V1）。另外一个输入，也就是反相输入（V2），是从输出电压中获取的。

V 2 电压与输出电压（V out ）相关，输出电压若有变化，就会在 V 2 中体现。负载增加会使输出电压下降，进而使输入电压（V 2 ）降低。

运算放大器努力让两个输入保持相等，一个输入是 V1 等于 VZ，另一个输入是 V2 相等。当达到这个条件时，运算放大器的输出电压（Vo）会增加，以此来补偿负载电压的下降。

类似地，当负载条件降低时，V2 增加会使运算放大器降低其输出电压（VO）。这会使得晶体管（Q1）的基极电流降低，进而导致输出电压降低。

该电路的输出电压等式由下式给出：

例如要获得 10V 的输出电压：

则需要一个齐纳电压为 5V 的齐纳二极管。

过压保护

对于下图的电路而言，只要电压高于齐纳击穿电压，就会有电流流过电阻。在这种情况下，电阻上会出现电压降，并且电阻器会导通晶体管，同时使路径短路。接着，大电流开始流动，最终打开保险丝，从而断开电路。

过压保护电路中的齐纳二极管

限幅电路

当齐纳二极管被施加交流电压时，只要电压高于齐纳击穿电压，该电压就会被削减。两个以相反方向串联的二极管会使 AC 在正负循环过程中被削波。正弦波到方波转换器就是削波电路的一个实例。

图 8：

限幅电路中的齐纳二极管

齐纳二极管电路技巧

齐纳二极管是一种极为灵活且有用的电路元件。不过，如同其他任何电子元件那般，存在一些提示与技巧，能够让齐纳二极管发挥出最佳性能。以下这些方法被列出：

用发射极或源极跟随器电路缓冲齐纳二极管电路

为使齐纳二极管的电压尽量稳定，齐纳二极管的电流需保持恒定。负载吸收的电流不能有较大变化，因为其变化会改变流经齐纳二极管的电流，进而导致电压有轻微变化。

负载引起的变化可以通过某种方式来减少从齐纳二极管电路获取的电流，进而减少它所看到的变化。具体来说，可以使用射极跟随器电路级来实现这一目的，这样就能够使用更小的齐纳二极管。

使用恒流源驱动以获得最佳稳定性

提高齐纳稳定性有另一种方式，即使用良好的恒流源。一个仅使用一个电阻器的简单电路，能够满足许多应用的需求。而更有效的电流源，能够在电路性能方面带来一些改进，因为它几乎可以不管电源轨发生任何变化都能保持电流。

选择正确的电压以获得最佳稳定性

在需要随温度变化保持稳定性的应用里，要选择齐纳电压基准二极管，让其电压大概为 5.5 伏。最接近的首选值是 5.6 伏，而 5.1 伏是另一个流行的值，原因是它接近某些逻辑系列所需要的 5 伏。

如果需要不同级别的电压，能够使用 5.6 伏齐纳二极管。同时，可以利用周围的电子设备把它转换为所需的输出值。

保证有足够的电流进行反向击穿

要保证二极管保持在反向击穿状态，就必须有足够的电流通过它。对于典型的 400 mW 设备而言，需要保持大约 5 mA 的电流。

特定器件和电压的最小电流的准确值需要查阅。若未提供最小电流，二极管就无法正常导通，进而整个电路也无法运行。

确保不超过齐纳二极管的最大电流限制

有必要确保有足够电流通过齐纳二极管，同时不得超过最大限制。在一些电路中，这是一种平衡行为，因为负载电流的变化会致使齐纳二极管电流产生变化。

应注意不要超出最大电流或者最大功耗。同时，可以运用射极跟随器电路来对齐纳二极管进行缓冲，并且能够增加电流能力。

齐纳二极管使用起来很容易，所以存在着各式各样不同的齐纳二极管电路。若使用一些预防措施，它们能运行良好，但偶尔会出现一些问题，不过遵循上述提示和技巧有助于避免大部分问题。

以上这些内容是关于齐纳二极管的工作原理、参数特性以及功能应用的一些解释，希望能对大家有所帮助。

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