齊納二極管原理

在通常情況下，反向偏置的PN結(jié)中只有一個很小的電流。這個漏電流一直保持一個常數(shù)，直到反向電壓超過某個特定的值，超過這個值之后PN結(jié)突然開始有大電流導(dǎo)通（圖1.15）。這個突然的意義重大的反向?qū)ň褪欠聪驌舸绻麤]有一些外在的措施來限制電流的話，它可能導(dǎo)致器件的損壞。反向擊穿通常設(shè)置了固態(tài)器件的最大工作電壓。然而，如果采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施來限制電流的話，反向擊穿的結(jié)能作為一個非常穩(wěn)定的參考電壓。

圖1.15 PN結(jié)二極管的反向擊穿。

??? 導(dǎo)致反向擊穿的一個機(jī)制是avalanche multiplication。考慮一個反向偏置的PN結(jié)。耗盡區(qū)隨著偏置上升而加寬，但還不夠快到阻止電場的加強(qiáng)。強(qiáng)大的電場加速了一些載流子以非常高的速度穿過耗盡區(qū)。當(dāng)這些載流子碰撞到晶體中的原子時，他們撞擊松的價電子且產(chǎn)生了額外的載流子。因為一個載流子能通過撞擊來產(chǎn)生額外的成千上外的載流子就好像一個雪球能產(chǎn)生一場雪崩一樣，所以這個過程叫avalanche multiplication。

??? 反向擊穿的另一個機(jī)制是tunneling。Tunneling是一種量子機(jī)制過程，它能使粒子在不管有任何障礙存在時都能移動一小段距離。如果耗盡區(qū)足夠薄，那么載流子就能靠tunneling跳躍過去。Tunneling電流主要取決于耗盡區(qū)寬度和結(jié)上的電壓差。Tunneling引起的反向擊穿稱為齊納擊穿。

??? 結(jié)的反向擊穿電壓取決于耗盡區(qū)的寬度。耗盡區(qū)越寬需要越高的擊穿電壓。就如先前討論的一樣，摻雜的越輕，耗盡區(qū)越寬，擊穿電壓越高。當(dāng)擊穿電壓低于5伏時，耗盡區(qū)太薄了，主要是齊納擊穿。當(dāng)擊穿電壓高于5伏時，主要是雪崩擊穿。設(shè)計出的主要工作于反向?qū)ǖ臓顟B(tài)的PN二極管根據(jù)占主導(dǎo)地位的工作機(jī)制分別稱為齊納二極管或雪崩二極管。齊納二極管的擊穿電壓低于5伏，而雪崩二極管的擊穿電壓高于5伏。通常工程師們不管他們的工作原理都把他們稱為齊納管。因此主要靠雪崩擊穿工作的7V齊納管可能會使人迷惑不解。

??? 實際上，結(jié)的擊穿電壓不僅和它的摻雜特性有關(guān)還和它的幾何形狀有關(guān)。以上討論分析了一種由兩種均勻摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域在一個平面相交的平面結(jié)。盡管有些真正的結(jié)近似這種理想情況，大多數(shù)結(jié)是彎曲的。曲率加強(qiáng)了電場，降低了擊穿電壓。曲率半徑越小，擊穿電壓越低。這個效應(yīng)對薄結(jié)的擊穿電壓由很大的影響。大多數(shù)肖特基二極管在金屬－硅交界面邊緣有一個很明顯的斷層。電場強(qiáng)化能極大的降低肖特基二極管的測量擊穿電壓，除非有特別的措施能削弱Schottky barrier邊緣的電場。

??? 圖1.16是以上所討論的所有的電路符號。PN結(jié)用一根直線代表陰極，而肖特基二極管和齊納二極管則對陰極端做了一些修飾。在所有這些圖例中，箭頭的方向都表示了二極管正向偏置下的電流方向。在齊納二極管中，這個箭頭可能有些誤導(dǎo)，因為齊納管通常工作在反向偏置狀態(tài)下。對于casual observer來說，這個符號出現(xiàn)時旁邊應(yīng)該再插入一句“方向反了”。

圖1.16 PN結(jié)，肖特基，和齊納二極管的電路圖符號。有些電路圖符號中箭頭是空心的或半個箭頭。