齊納二極管( zener diodes)的主要作用就是當(dāng)作一種電壓調(diào)整器，QLCO-A146提供穩(wěn)定的參考電壓，可應(yīng)用在電源供應(yīng)器、電壓表與其他的儀器中。在本節(jié)中，你將會(huì)學(xué)習(xí)到齊納二極管在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下，如何維持一個(gè)接近定值的直流電壓。你將會(huì)學(xué)習(xí)到如何正確使用齊納二極管的條件和限制，以及影響效能的一些因素。
    在學(xué)完本節(jié)后，你應(yīng)該能夠：說(shuō)明齊納二極管的特性和分析它的工作原理；根據(jù)符號(hào)來(lái)辨識(shí)齊納二極管；參與討論累增擊穿(avalanche breakdown)和齊納擊穿(Zener break-down)；分析齊納二極管的特性(V-I)曲線；參與討論齊納二極管的等效電路；定義溫度系數(shù)并應(yīng)用到齊納二極管的分析；參與討論齊納二極管的功率消耗和功率額降；詮釋齊納二極管的特性參數(shù)表。
    齊納二極管的符號(hào)如圖3.1所示。齊納二極管(Zener diode)是一種硅pn結(jié)元件，它和整流二極管不同，因?yàn)樗窃O(shè)計(jì)用于反向擊穿區(qū)( reverse-breakdown region)。齊納二極管的擊穿電壓，可在生產(chǎn)制造時(shí)仔細(xì)控制摻雜的程度加以設(shè)定。其伏安的特性曲線我們?cè)僖淮物@示于圖3.2，一般整流二極管和齊納二極管的工作區(qū)域，是以陰影區(qū)域表示。假如齊納二極管處于正向偏壓，它就如同整流二極管一般。

                
   1.齊納擊穿
    齊納二極管是設(shè)計(jì)用于反向擊穿區(qū)。齊納二極管的反向擊穿有兩種類型，就是累增擊穿和齊納擊穿。齊納擊穿則是齊納二極管在低反向偏壓時(shí)發(fā)生。如果齊納二極管經(jīng)過(guò)大量摻雜，就可降低擊穿電壓。這樣可以產(chǎn)生很薄的耗盡區(qū)。結(jié)果就可在耗盡區(qū)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)。當(dāng)接近反向擊穿電壓(Vz)時(shí)，電場(chǎng)的強(qiáng)度足夠?qū)㈦娮永x價(jià)帶，因而產(chǎn)生大量的電流。
    齊納二極管的擊穿電壓若約小于5V，就會(huì)工作于反向擊穿區(qū)。而那些高于5V擊穿電壓的齊納二極管，則是工作于累增擊穿區(qū)。然而，兩種類型都稱為齊納二極管。齊納二極管在市面上可買到擊穿電壓從1.8～200V的產(chǎn)品，誤差則是從1%～20%。
    2.擊穿特性
    圖3.3顯示齊納二極管的特性曲線的反向偏壓部分。請(qǐng)注意當(dāng)反向偏壓(VR)增加，反向電流(IR)-直到曲線的膝點(diǎn)之前都仍然維持非常小。此時(shí)的反向電流又稱為穩(wěn)定電流。在這一點(diǎn)，擊穿效應(yīng)開(kāi)始出現(xiàn)，內(nèi)部的電阻值，也稱為動(dòng)態(tài)阻抗(Zz)，隨著反向電流快速增加而開(kāi)始降低。從膝點(diǎn)以下，反向擊穿電壓(vz)基本上維持定值，即使當(dāng)穩(wěn)定電流增加也只些微地增加。

                      
    這種能夠維持兩端之間反向電壓不變的能力，就是齊納二極管的關(guān)鍵特性。當(dāng)齊納二極管工作在擊穿區(qū)時(shí)就像一個(gè)電壓調(diào)整器，因?yàn)樗谔囟ǖ姆聪螂娏鞣秶鷥?nèi)，兩端的電壓幾乎維持在固定值。
    為了調(diào)整電壓，要讓二極管維持在擊穿區(qū)工作，就必須保持反向電流在最低值。可以從在圖3.3中的曲線看出，當(dāng)反向電流陣低到曲線的膝點(diǎn)以下，電壓會(huì)急速地下降，因此喪失調(diào)整電壓的功能。同時(shí)，當(dāng)二極管的電流超過(guò)最大值IZM時(shí)，二極管可能會(huì)因?yàn)檫^(guò)量的功率消耗而損毀。所以，基本上當(dāng)齊納二極管的反向電流值在IZK～I(xiàn)ZM的范圍內(nèi)，它在兩端之間會(huì)維持接近定值的電壓。通常資料表中所指的穩(wěn)定電壓，是指當(dāng)反向電流為齊納測(cè)試電流(Zener test current)時(shí)的電壓。
   3.齊納等效電路
    圖3.4(a)顯示齊納二極管在反向擊穿區(qū)的理想模型。它擁有等于齊納電壓的定值電壓降。這個(gè)定值電壓降可用一個(gè)直流電壓源加以表示，事實(shí)上雖然齊納二極管并不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)(emf)的電壓源。這個(gè)直流電壓源只是表示在反向擊穿時(shí)，在二極管兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定電壓的情況。
    圖3.4(b)代表齊納二極管的實(shí)際模型，這個(gè)模型包含動(dòng)態(tài)阻抗(Zz)。因?yàn)閷?shí)際的電壓曲線并不是完全垂直的，齊納電流的改變( △Iz)會(huì)產(chǎn)生微小的齊納電壓變更(△Vz)，如圖3.4(c)所示。由歐姆定律，△Vz對(duì)△Iz的比率就是阻抗，如下式所示：Zz=△Vz/△Iz

     4. 溫度系數(shù)
    溫度系數(shù)( temperature coefficient)是指對(duì)每攝氏溫度的改變，所造成穩(wěn)定電壓的變動(dòng)百分比。例如，一個(gè)12V的齊納二極管有一個(gè)正溫度系數(shù)0.Ol%/℃，當(dāng)接面溫度上升一攝氏度時(shí)，穩(wěn)定電壓會(huì)上升1.2mV。依據(jù)提供的溫度系數(shù)，接面溫度的變動(dòng)量，則穩(wěn)定電壓的變動(dòng)量可由下式計(jì)算出來(lái)：   △Vz=Vz×TC×△T    (3.2)
其中，Vz是在25℃時(shí)的指定穩(wěn)定電壓，而TC是溫度系數(shù)，△T是溫度的變動(dòng)量。正值的TC意指當(dāng)溫度增加時(shí)，穩(wěn)定電壓也增加，或者溫度降低時(shí)，穩(wěn)定電壓也隨著降低。負(fù)值的意指當(dāng)溫度增加時(shí)，穩(wěn)定電壓降低，或者溫度降低時(shí)，穩(wěn)定電壓反而增加。
    在某些情況下，溫度系數(shù)是以mV/℃表示，而不以%/℃表示。在這些情況下，計(jì)算如下：                    △Vz= TC×△T    (3.3)
   5.齊納二極管的功率消耗與額降
    齊納二極管設(shè)計(jì)是以最大功率工作，稱之為最大直流功率消耗。例如，1N746齊納二極管的PD(max)=500mW，而1N3305A的PD(max)等于50W。此直流功率消耗可用下面公式求得                    PD=VzIz
    齊納二極管的最大功率消耗通常是定義在等于或小于某個(gè)溫度（例如50℃）。當(dāng)高于此溫度時(shí)，最大功率消耗會(huì)隨著降額因子而減低。降額因子是用mW/℃表示。最大降額功率可用下列公式計(jì)算：      PD(derated)一PD(max) -(mW/℃)△T    (3.4)
    6.齊納二極管參數(shù)表信息
    參數(shù)表上有關(guān)齊納二極管（或是任何種類的電子元器件）的數(shù)量與種類的數(shù)據(jù)，皆不盡相同。對(duì)某些齊納二極管，可從資料表上發(fā)現(xiàn)比其他的齊納二極管更多的資料。圖3.7提供一個(gè)例題，其中有你曾學(xué)過(guò)的類別參數(shù)，也可在一般標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)表中找到，但是這份參數(shù)表并不完整。這份資料是有關(guān)1N4728.1N4764齊納二極管系列。
    (1)電特性
    圖3.7(a)是有關(guān)電特性( electrical  characteristics)的表格，第一欄是齊納二極管的型號(hào)。大部分的元件參數(shù)表都有這項(xiàng)特性數(shù)據(jù)。齊納電壓(Zener voltage)財(cái)于每個(gè)齊納二極管的型號(hào)，在每個(gè)指定的齊納測(cè)試電流，相對(duì)的齊納電壓則列在第二欄。Vz的標(biāo)示值會(huì)隨著誤差不同而改變。例如，1N4738的標(biāo)示值是8.2V。誤差為10%時(shí)，此值可從7.38V變動(dòng)到9.02V。
    齊納測(cè)試電流(Zener test current)穩(wěn)定電流I_ZT的單位是毫安，此電流是在表示的穩(wěn)定電壓下的測(cè)出值，其值列在圖3.7(a)表格的第三欄。
    齊納阻抗(Zener impedance)是在穩(wěn)定測(cè)試電流，所測(cè)得的動(dòng)態(tài)阻抗的歐[姆]值。每種齊納二極管的Z_ZT值列在第四欄。動(dòng)態(tài)這個(gè)名詞表示它是交流數(shù)值，就是對(duì)于特定電流的變動(dòng)量所造成的電壓變化量Z_ZT=△Vz/△Iz。你不能用直流的V_Z和I_ZT來(lái)計(jì)算。這個(gè)表格也包含了Zzk，這是在電流等于膝點(diǎn)電流I_ZK時(shí)，所測(cè)的阻抗。

         
    反向漏電流( reverse leakage current)的值列在表格的第五欄。漏電流是當(dāng)齊納二極管反向偏壓在特性曲線膝點(diǎn)以下時(shí)，流過(guò)二極管的電流值。注意這些值非常的小，就如同整流二極管的情形一樣。
    最大齊納二極電流(maximum Zener current)最大的直流電流值IZM并沒(méi)有在這份資料表中表示出來(lái)。然而，這還是僮得說(shuō)明一下，因?yàn)槟銜?huì)在某些資料表中找到它。IZM的標(biāo)示值是根據(jù)功率等級(jí)，在I_ZM測(cè)得的穩(wěn)定電壓和穩(wěn)定電壓誤差所決定。I_ZM的估計(jì)值可由最大功率消耗PD(max)和在I_ZT的Vz，計(jì)算如下所示：  I_ZM=PD(max)/Vz
    (2)圖形數(shù)據(jù)
    有些參數(shù)表提供各種參數(shù)的圖表，有些則沒(méi)有。圖3.7提供有關(guān)本節(jié)所討論過(guò)概念的圖表。
    功率降額( power derating)圖3.7(b)顯示此特定系列齊納二極管的功率額降曲線。請(qǐng)注意，在溫度50℃以下，齊納二極管的最大功率消耗是1W。50℃以上，功率額定值會(huì)線性地降低，如圖所示。例如，在140℃時(shí)功率額定值大約是400mW。
溫度系數(shù)( temperature coefficients)圖3.7(c)顯示在穩(wěn)定電壓低于12V以下，相對(duì)于穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)(mV/℃)。這兩個(gè)曲線定義了溫度系數(shù)的范圍。例如，6V的齊納二極管的溫度系數(shù)范圍可能從1.5～3mV/℃。
    齊納電流對(duì)齊納阻抗的影響(effect of Zener current on Zener impedance)圖3.7(d)表示當(dāng)齊納電壓在特定的標(biāo)示值時(shí)，齊納阻抗ZZ對(duì)電流的變化情況：2.7V、6.2V、27V和47V。請(qǐng)注意，Zz會(huì)隨電流增加而變小。