齊納二極管在正向偏置時的行為類似于具有PN結(jié)的普通硅二極管，允許電流從陽極流向陰極。但在反向偏置時，齊納二極管不同于普通二極管阻止電流流動，而是在達(dá)到一定反向電壓閾值時，開始導(dǎo)通，允許反向電流流過。

當(dāng)施加到齊納二極管的反向電壓超過其典型極限閾值時，在半導(dǎo)體耗盡區(qū)會發(fā)生稱為雪崩擊穿的過程，隨后二極管會產(chǎn)生電流來限制電壓的升高。在此過程中，電荷通過自由電子與相鄰原子的碰撞而產(chǎn)生，并因此產(chǎn)生熱量，有可能對器件造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

但是，如果二極管的耗盡區(qū)非常薄且高摻雜，則可能由于結(jié)中產(chǎn)生的高強(qiáng)度電場而生成反向電流。這個過程稱為齊納擊穿（如圖1所示），它是可逆的，而且不會損壞二極管。圖中的水平軸上，齊納二極管電壓變得穩(wěn)定的點稱為齊納電壓（VZ），其值可以在幾伏至幾百伏之間。在摻雜和二極管制造過程中，可以小心地控制導(dǎo)通曲線的斜率和觸發(fā)該過程的最小反向電流值，使公差小于1%。

圖1：齊納二極管的典型I-V特性

齊納穩(wěn)壓器

齊納二極管所具有的電壓穩(wěn)定水平（電源）比橋式整流電路和濾波電容器要高得多。尤其當(dāng)半導(dǎo)體摻雜濃度恰當(dāng)時，甚至可以實現(xiàn)齊納擊穿曲線（如圖1）的斜率垂直，從而獲得穩(wěn)定的電壓；隨著輸入電壓的變化，波紋幾乎可以忽略不計。

圖2顯示了最簡單的齊納穩(wěn)壓器原理圖。這里采用了VZ= 12 V的齊納二極管；串聯(lián)電阻R的值可通過圖中所示的公式確定，其中Vi是輸入電壓，Vo是穩(wěn)定的輸出電壓（12 V），IL是負(fù)載吸收的電流。

圖2： 齊納二極管穩(wěn)壓器

空載時，IL= 0，電路中的所有電流都將流過齊納二極管，從而耗散最大功率。因此，必須按照指示謹(jǐn)慎選擇串聯(lián)電阻的值，以免超過空載時齊納二極管能承受的最大功率。該電路能夠產(chǎn)生幾十毫安的電流，通常用于極化晶體管的基極，或作為運算放大器的輸入，以獲得較高的電流值。圖3顯示了能夠擴(kuò)大負(fù)載吸收功率的晶體管并聯(lián)調(diào)節(jié)器。輸出電壓VO由下式給出：VO = VZ + VBE。

圖3：帶有齊納二極管和晶體管的并聯(lián)調(diào)節(jié)器

標(biāo)準(zhǔn)齊納電壓

市場上常見的齊納二極管電壓范圍從剛好1 V到幾百伏。每個電壓值通常都有一個或多個功率值，從略低于0.5 W到5W以上。最常見的齊納二極管產(chǎn)品是小信號系列BZX55，其VZ電壓在2.4 V至75 V之間，最大功率為500 mW。齊納功率二極管BZX85系列也得到廣泛應(yīng)用，其VZ電壓在2.7 V至100 V之間，最大功率為1300 mW。

帶齊納二極管的串聯(lián)穩(wěn)壓器

圖4為最簡單的齊納二極管串聯(lián)穩(wěn)壓器示例。其中晶體管作為電壓跟隨器，輸出電壓比齊納電壓低約0.6至0.7V。電阻R的大小必須經(jīng)過精確調(diào)整，使齊納二極管能正確極化，并且Q1的基極電流足以使其導(dǎo)通。為了防止齊納二極管上的電流值下降至與齊納效應(yīng)不兼容，可以用達(dá)林頓晶體管代替低功率晶體管2N2222。

圖4：帶齊納二極管和晶體管的串聯(lián)穩(wěn)壓器

接下來，我們看下齊納二極管的一些工作流程。

與典型的二極管一樣，齊納二極管看起來像一個小圓柱體，兩端的兩個端子用于連接或焊接到電路上。它是一個極化組件，具有一個陽極（正）和一個陰極（負(fù)）。

齊納二極管管體上靠近陰極或負(fù)極端子的位置通常印有色帶。當(dāng)然，在電子原理圖中，齊納二極管也必須與普通二極管不同。它的符號與二極管非常相似，但為了區(qū)分它們，增加了兩條細(xì)線。齊納二極管主要使用的軟件為LTspice。它是一款高性能SPICE仿真軟件、原理圖捕獲和波形查看器，具有簡化模擬電路仿真的增強(qiáng)功能和模型。LTspice可以從Analog Devices官網(wǎng)免費下載。

齊納二極管

齊納二極管如果直接極化會導(dǎo)通，跟普通二極管一樣。但與普通二極管不同的是，反極化時齊納二極管也會導(dǎo)通，但僅在超過電壓閾值（Vz）時才會導(dǎo)通。

在電路中，它被反極化，以利用其超過一定電壓值才導(dǎo)通的特性。齊納二極管的這種特性讓所有執(zhí)行某項特定功能的情況都可以采用它。現(xiàn)在我們來熟悉一下齊納二極管的一般工作原理。圖5所示為半導(dǎo)體（12 V的EDZV12B）被直接極化的簡單電路原理圖。在0 V至20 V之間對DC類型進(jìn)行的仿真顯示出電阻R1上的輸出電壓取決于電池電壓。主曲線圖和曲線圖a證實了陰極和陽極之間的恒定壓差約為0.833 V（結(jié)電壓）。當(dāng)陽極上的電壓大于0.8 V時，壓差開始恒定（圖表b）。

圖5：正向模式下的齊納仿真

圖6所示為半導(dǎo)體（同樣是12 V的EDZV12B）被反極化的簡單電路原理圖。在0 V至20 V之間對DC類型進(jìn)行的仿真顯示出電阻R1上的輸出電壓取決于電池電壓。當(dāng)然，在這種模式下，普通二極管不會導(dǎo)電。但對于齊納二極管，如果反向電壓超過某個閾值（這里為12 V），它將開始導(dǎo)電。例如，如果電池電壓為18 V，則電阻上的電壓為6 V（18–12）。

圖6：反向模式下的齊納仿真

齊納二極管做穩(wěn)壓器

我們知道，反極化的齊納二極管導(dǎo)通時涉及一個固定電壓Vz。例如，如果一個12V齊納二極管上的電壓是始終為12V，與電源電壓無關(guān)，則可以將齊納二極管用作穩(wěn)壓器。這是齊納二極管的主要用途之一，即作為具有固定電壓值的穩(wěn)壓器，固定電壓可用于需要固定參考電壓和為固定電源電壓供電的電路。圖7中采用了相同電壓的齊納二極管產(chǎn)生12V電源，非常完美地體現(xiàn)了齊納二極管如何用作穩(wěn)壓器。該二極管前面有一個電阻用于限制電流，其阻值通過精確計算得出。從圖中可以看出，當(dāng)電池電壓超過12 V時，電源開始工作。對于較低的電池電壓，二極管的結(jié)壓差始終為0.8V。

圖7：齊納二極管用作穩(wěn)壓器的一般原理圖

圖8中的圖表顯示了R1和D1上的電流隨電池輸入電壓變化的情況（右側(cè)為比例尺）。設(shè)計人員必須始終精確計算這些值，即使在最壞情況下也需要。實際上，齊納二極管是適用于低電流的小型元器件。

圖8：R1和D1上的電流

結(jié)論

齊納二極管是使電壓穩(wěn)定至最佳的元器件。可惜的是，它無法提供大電流，但在為后續(xù)功率級提供精確電壓基準(zhǔn)時非常有用。所有電路均是通過精確的數(shù)學(xué)公式來調(diào)整的，齊納二極管的應(yīng)用條件計算也遵循這個規(guī)則。

（參考原文：Power Supply Design Notes： Zener Diode Voltage Regulator & Power Supply Design Notes： Simulating a Zener Diode ）