元器件科普之穩壓二極體的特性和用途

1、簡述

穩壓二極體，英文名稱Zener diode，又叫齊納二極體。利用PN結反向擊穿狀態，其電流可在很大範圍內變化而電壓基本不變的現象，製成的起穩壓作用的二極體。此二極體是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件，在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數值，在這個低阻區中電流增加而電壓則保持恆定，穩壓二極體是根據擊穿電壓來分檔的，因為這種特性，穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用。穩壓二極體可以串聯起來以便在較高的電壓上使用，通過串聯就可獲得更高的穩定電壓。如下圖（1）所示，這是穩壓二極體的電路圖符號，而最上面的是很常見的玻封結構的穩壓二極體實物圖。

2、特性

穩壓二極體的伏安特性曲線如圖（2）所示，我們可以藉助它來了解穩壓二極體在各種偏置下的狀態。

狀態①： 正向偏置狀態。此狀態記下，穩壓二極體的特性表現為普通二極體的特性，即：隨著正向偏壓的提高，正向電流變化很大、很陡！但由於VF（0.3V~0.7V左右）很小，此正向偏置狀態基本無使用價值。需要注意的是，不同的穩壓二極體的正向壓降是不同的。

狀態②： 反向偏置狀態。此狀態下，當反向電壓沒達到VBR之前，穩壓二極體基本沒導通；而當反向偏壓接近VBR值時，穩壓二極體開始導通，產生IR電流。隨著反向偏壓的提高，反向電流IR也會激烈變化得很大、很陡！儘管電流在很大的範圍內變化，而二極體兩端的電壓卻基本上穩定在擊穿電壓附近，從而實現了二極體的穩壓功能。圖（2）中的黃色區域（擊穿區）就是穩壓二極體的正常工作狀態，通常此區域對應的VR區間範圍很小，此電壓就是穩壓二極體的工作點、穩壓值。

實際上，齊納二極體包括兩種擊穿電壓，分別是：齊納擊穿和需崩擊穿。在正常工作狀態下，反向偏壓較低時，對應的反向偏壓就是齊納擊穿電壓。為了使二極體保持在穩定狀態，必須維持最小的反向電流Iz(min)。在圖（2）的曲線上，可以見到當反向電流低於曲線拐點處的電流時，電壓出現劇烈變化，穩壓作用就沒有了。同樣，有一個最大電流Iz(max)超過電流，二極體就被物理性損壞，此時對應的擊穿就是雪崩擊穿。因此，我們只要讓齊納二極體的反向電流在Iz(min) ~ Iz(max)之間，齊納二極體的兩端電壓保持近似恆定。在穩壓二極體的DataSheet上，通常給出一個所謂齊納測試電流Iz對應的標稱測試電壓就是Vz。

3、主要參數

3.1 Uz— 穩定電壓

指穩壓管通過額定電流時兩端產生的穩定電壓值。該值隨工作電流和溫度的不同而略有改變。由於製造工藝的差別，同一型號穩壓管的穩壓值也不完全一致。例如，穩壓二極體BZV55-C16（立創商城的商品編號：C128822）的Vz（min）為15.3V, Vz（max）則為17.1V。

3.2 Iz— 額定電流

指穩壓管產生穩定電壓時通過該管的電流值。低於此值時，穩壓管雖並非不能穩壓，但穩壓效果會變差;高於此值時，只要不超過額定功率損耗，也是允許的，而且穩壓性能會好一些，但要多消耗電能。

3.3 Rz— 動態電阻

指穩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，動態電阻則愈小。例如，2CW7C穩壓管的工作電流為 5mA時，Rz為18Ω;工作電流為10mA時，Rz為8Ω;為20mA時，Rz為2Ω ; > 20mA則基本維持此數值。

3.4 Pz— 額定功耗

由晶元允許溫升決定，其數值為穩定電壓Vz和允許最大電流Izm的乘積。例如2CW51穩壓管的Vz為3V，Izm為20mA，則該管的Pz為60mWo

3.5 α---溫度係數

如果穩壓管的溫度變化，它的穩定電壓也會發生微小變化，溫度變化1℃所引起管子兩端電壓的相對變化量即是溫度係數（單位：﹪/℃）。一般說來穩壓值低於6V屬於齊納擊穿，溫度係數是負的；高於6V的屬雪崩擊穿，溫度係數是正的。溫度升高時，耗盡層減小，耗盡層中，原子的價電子上升到較高的能量，較小的電場強度就可以把價電子從原子中激發出來產生齊納擊穿，因此它的溫度係數是負的。雪崩擊穿發生在耗盡層較寬電場強度較低時，溫度增加使晶格原子振動幅度加大，阻礙了載流子的運動。這種情況下，只有增加反向電壓，才能發生雪崩擊穿，因此雪崩擊穿的電壓溫度係數是正的。這就是為什麼穩壓值為15V的穩壓管其穩壓值隨溫度逐漸增大的，而穩壓值為5V的穩壓管其穩壓值隨溫度逐漸減小的原因。例如2CW58穩壓管的溫度係數是+0.07%/°C，即溫度每升高1°C，其穩壓值將升高0.07%。

對電源要求比較高的場合，可以用兩個溫度係數相反的穩壓管串聯起來作為補償。由於相互補償，溫度係數大大減小，可使溫度係數達到0.0005%/℃。

3.6 IR— 反向漏電流

指穩壓二極體在規定的反向電壓下產生的漏電流。例如2CW58穩壓管的VR=1V時，IR=O.1uA;在VR=6V時，IR=10uA。

4、穩壓二極體的選型

要求導通電壓低時選鍺管；

要求反向電流小時選硅管；

要求導通電流大時選面結合型；

要求工作頻率高時選點接觸型；

要求反向擊穿電壓高時選硅管；

要求耐高溫時選硅管。

5、應用電路（舉例）

5.1簡易穩壓電路

此電路利用齊納二極體的穩壓特性，實現穩壓，但輸出電流很小。

5.2改進型穩壓電路

此電路利用齊納二極體的穩壓特性，實現穩壓，可輸出較大的電流。

5.3LED指示燈的ESD保護電路

此電路利用齊納二極體的反向偏置特性，防止LED受靜電過高而損壞。

5.4過壓保護電路

如果輸出電壓過高，此電路中的齊納二極體會導通，進而觸發可控硅SCR對輸入電壓端進行限制。

5.5信號限幅電路

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

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