齐纳二极管原理

在通常情况下，反向偏置的PN结中只有一个很小的电流。这个漏电流一直保持一个常数，直到反向电压超过某个特定的值，超过这个值之后PN结突然开始有大电流导通（图1.15）。这个突然的意义重大的反向导通就是反向击穿，如果没有一些外在的措施来限制电流的话，它可能导致器件的损坏。反向击穿通常设置了固态器件的最大工作电压。然而，如果采取适当的预防措施来限制电流的话，反向击穿的结能作为一个非常稳定的参考电压。

图1.15 PN结二极管的反向击穿。

    导致反向击穿的一个机制是avalanche multiplication。考虑一个反向偏置的PN结。耗尽区随着偏置上升而加宽，但还不够快到阻止电场的加强。强大的电场加速了一些载流子以非常高的速度穿过耗尽区。当这些载流子碰撞到晶体中的原子时，他们撞击松的价电子且产生了额外的载流子。因为一个载流子能通过撞击来产生额外的成千上外的载流子就好像一个雪球能产生一场雪崩一样，所以这个过程叫avalanche multiplication。

    反向击穿的另一个机制是tunneling。Tunneling是一种量子机制过程，它能使粒子在不管有任何障碍存在时都能移动一小段距离。如果耗尽区足够薄，那么载流子就能靠tunneling跳跃过去。Tunneling电流主要取决于耗尽区宽度和结上的电压差。Tunneling引起的反向击穿称为齐纳击穿。

    结的反向击穿电压取决于耗尽区的宽度。耗尽区越宽需要越高的击穿电压。就如先前讨论的一样，掺杂的越轻，耗尽区越宽，击穿电压越高。当击穿电压低于5伏时，耗尽区太薄了，主要是齐纳击穿。当击穿电压高于5伏时，主要是雪崩击穿。设计出的主要工作于反向导通的状态的PN二极管根据占主导地位的工作机制分别称为齐纳二极管或雪崩二极管。齐纳二极管的击穿电压低于5伏，而雪崩二极管的击穿电压高于5伏。通常工程师们不管他们的工作原理都把他们称为齐纳管。因此主要靠雪崩击穿工作的7V齐纳管可能会使人迷惑不解。

    实际上，结的击穿电压不仅和它的掺杂特性有关还和它的几何形状有关。以上讨论分析了一种由两种均匀掺杂的半导体区域在一个平面相交的平面结。尽管有些真正的结近似这种理想情况，大多数结是弯曲的。曲率加强了电场，降低了击穿电压。曲率半径越小，击穿电压越低。这个效应对薄结的击穿电压由很大的影响。大多数肖特基二极管在金属－硅交界面边缘有一个很明显的断层。电场强化能极大的降低肖特基二极管的测量击穿电压，除非有特别的措施能削弱Schottky barrier边缘的电场。

    图1.16是以上所讨论的所有的电路符号。PN结用一根直线代表阴极，而肖特基二极管和齐纳二极管则对阴极端做了一些修饰。在所有这些图例中，箭头的方向都表示了二极管正向偏置下的电流方向。在齐纳二极管中，这个箭头可能有些误导，因为齐纳管通常工作在反向偏置状态下。对于casual observer来说，这个符号出现时旁边应该再插入一句“方向反了”。

图1.16 PN结，肖特基，和齐纳二极管的电路图符号。有些电路图符号中箭头是空心的或半个箭头。