齊納二極管原理

在通常情況下，反向偏置的PN結中只有一個很小的電流。這個漏電流一直保持一個常數，直到反向電壓超過某個特定的值，超過這個值之后PN結突然開始有大電流導通（圖1.15）。這個突然的意義重大的反向導通就是反向擊穿，如果沒有一些外在的措施來限制電流的話，它可能導致器件的損壞。反向擊穿通常設置了固態器件的最大工作電壓。然而，如果采取適當的預防措施來限制電流的話，反向擊穿的結能作為一個非常穩定的參考電壓。

圖1.15 PN結二極管的反向擊穿。

??? 導致反向擊穿的一個機制是avalanche multiplication。考慮一個反向偏置的PN結。耗盡區隨著偏置上升而加寬，但還不夠快到阻止電場的加強。強大的電場加速了一些載流子以非常高的速度穿過耗盡區。當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生了額外的載流子。因為一個載流子能通過撞擊來產生額外的成千上外的載流子就好像一個雪球能產生一場雪崩一樣，所以這個過程叫avalanche multiplication。

??? 反向擊穿的另一個機制是tunneling。Tunneling是一種量子機制過程，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寬度和結上的電壓差。Tunneling引起的反向擊穿稱為齊納擊穿。

??? 結的反向擊穿電壓取決于耗盡區的寬度。耗盡區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，耗盡區越寬，擊穿電壓越高。當擊穿電壓低于5伏時，耗盡區太薄了，主要是齊納擊穿。當擊穿電壓高于5伏時，主要是雪崩擊穿。設計出的主要工作于反向導通的狀態的PN二極管根據占主導地位的工作機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，結的擊穿電壓不僅和它的摻雜特性有關還和它的幾何形狀有關。以上討論分析了一種由兩種均勻摻雜的半導體區域在一個平面相交的平面結。盡管有些真正的結近似這種理想情況，大多數結是彎曲的。曲率加強了電場，降低了擊穿電壓。曲率半徑越小，擊穿電壓越低。這個效應對薄結的擊穿電壓由很大的影響。大多數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，因為齊納管通常工作在反向偏置狀態下。對于casual observer來說，這個符號出現時旁邊應該再插入一句“方向反了”。

圖1.16 PN結，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。