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齐纳二极管的原理与应用

齐纳二极管在二极管元件中相当特殊，它不像一般二极管工作在顺向偏压，反而多半工作在逆向偏压，以作为电压源之类的电路来使用。这次我们就来聊聊齐纳二极管的原理以及它常见的应用。  

顺境中的二极管  

一般的二极管多半操作在顺向偏压，也就是电流由二极管的阳极（anode）流向阴极（cathode），而由于半导体材料本身的特性，阳极和阴极之间会有一个电压差，称之为二极管的顺向偏压（forwardbias），在规格书上常常以Vf来表示。  

二极管的Vf因着半导体的材料不同而有所变异。常见的矽二极管，顺向偏压在0.6V–0.7V左右，而现在比较少用的锗二极管，顺向偏压只有0.2V左右，其他各式各样的LED，顺向偏压则从1.5V到3V以上不等。

二极管的顺向偏压由于是因材料本身的特性而形成，不太随温度变化，因此在电路设计上常常拿来作为稳定的电压源使用。在很多AB类放大器的电路中，常串连二极管来垫高上下两颗电晶体之间的基极电压差，来设定AB类放大器的工作点（一个便当不够就吃两个，一颗二极管不够就再串一个），像是当你需要1.2V的压差时，就串连两颗矽二极管，需要1.8V就串连三颗。  

但是当你需要12V的时候怎么办？难道要串20个二极管？  

这时候就轮到「齐纳二极管」登场了！   

二极管在逆向偏压时，也就是阳极电压低于阴极电压时，是不会导通的。 

但并不是阴极电压高于阳极电压多少它都不会导通，它的忍耐还是有限度的。   

可以看到，当它在正偏压（forwardbias）时，会有一个0.7V左右的偏压，如果加在它上面的电压比这个偏压高，电流就会几乎无限制的增加（以维持这个偏压）。  

而当它工作在逆偏压区时，可以看到在大部分的状况下，都不会有电流流过二极管，直到逆偏压大于某个电压后，流过二极管的电流就会快速增加。这个电压称之为「崩溃电压」，当二极管的逆向偏压超过崩溃电压以上时，二极管就再也挡不住逆向偏压，然后就会有非常大的电流流过它，甚至损坏二极管本身。  

对于大部分的一般二极管来说，崩溃是个不可逆的反应，也就是崩溃一旦发生，通常伴随着不可逆的损坏，但齐纳二极管很不一样。  

天生崩溃的齐纳二极管  

齐纳二极管是一种经过特别制程制造的二极管，它的逆向崩溃电压通常没有一般二极管那么高，而且它的崩溃现象是可逆的（只要你不要太摧残它）。  

一般的矽二极管，逆向崩溃电压多半在数十伏特到一百伏特上下，有些耐高压的整流用二极管（如FR107）甚至可以承受高达1000V的逆向偏压。  

由于齐纳二极管经过特殊设计，它的逆向崩溃电压从一两伏特到一百伏特不等。最重要的是，它的崩溃反应是可逆的，也就是说当我们加在它上面的逆向偏压高于它的崩溃电压时，它会崩溃导通，但当逆向偏压小于它的崩溃电压，它会恢复正常，等待下一次的崩溃。  

因为这个特性，我们可以拿齐纳二极管的逆向偏压来当作电压源使用。典型的电路如下图： 

在这个电路中，D1会维持V1到电池负极的电压恒定，不管从V1流出多少电流，V1的电压都会等于D1的逆向崩溃电压。  

R1的作用是用来限制在V1没有负载时，流过D1的电流。如果我们不放R1，当电池的电压大于D1的逆向崩溃电压时，D1就会暴走，它便会以几近短路的姿态让非常大的电流流过自己，设法让自己身上的电压等于崩溃电压，但因为大电流流过二极管时，它上面的功率消耗会等于电流乘上压差，因此当电流过大时，D1就会烧毁自己。  

那如果R1放大一点呢？R1其实是这个电压源的内阻，如果我们放了太大的R1，当我们需要从V1抽取大电流时，就有可能拿不到足够的电流，这时V1就不是一个好的电压源了。因此齐纳二极管虽然是一个好的参考电压源，但实务上单独使用齐纳二极管无法供应太大的电流，这时候在这个电路中加一个电晶体，能让这个电路变得实用一点：  

这个电路只利用电晶体的一个特性：电晶体的VBE电压是恒定的（不管流过它的电流大小）。假设图中这颗电晶体它的VBE是0.7V，那V1的电压就会比V2高0.7V，而由于V2来自电池和电晶体，它可以供应的电流会远比V1大的多。  

我们来看一个实际的例子。假设我们今天要设计一个1.8V的稳压电源，而输入是5V，我们希望这个电源可以供应最大500mA的电流，那首先我们要选择电晶体，既然输出要能到500mA，电晶体最少就要能流过500mA，我们可以选用常见的小讯号放大用电晶体MMBT2222，它可以承受600mA的连续电流：  

因为我们需要1.8V的输出，而矽电晶体的VBE是0.6V左右，因此我们需要一个1.8V+0.6V=2.4V的齐纳二极管。  

我们选用1N5221这颗2.4V的齐纳二极管：   

事实上齐纳二极管的编号是有迹可循的。你可以找到很多不同厂牌不同封装但都以52开头的齐纳二极管，但不管是MMBZ5221、TZM5221、MMSZ5221、还是1N5221，它们通通是2.4V的齐纳二极管，只是封装、耐电流或其它特性不同，而市场上可以买到的齐纳二极管电压，绝大多数都遵循5%误差的E24数字系列，也就是22、24、27、30、33、36、39…这个序列。  

接下来我们要决定这个电路中的限流电阻R1。我们知道MMBT2222的电流放大率最少是100倍，因此若要输出500mA，就要有5mA的IB，而电源电压是5V，如果V1要有5mA，最大的R1就会是：R1=5（V）／0.005（A）=1K（?）  

除了驱动Q1的电流外，R1同时还要负担D1上的崩溃电流。当R1=1K时这个电流会是(5-2.4)/1000=2.6(mA)，因此我们不会刚好放1K?的R1，而是再放稍微小一点的值。  

最后这个电路就变成：  

这个看似简单的电路，事实上在稳压IC盛行之前的那个年代，是非常常见的稳压电源电路，不过由于半导体的进步，现在更精密、更快速的稳压电源IC随手可得，除非在极高可靠度的应用中，我们已不常使用齐纳二极管加上电晶体做为稳压电源来使用。  

为什么在高可靠度的系统中仍然会使用齐纳二极管加上电晶体做为稳压电源呢？因为多个香炉多只鬼，当IC的可靠度资料不足或是无法预测它的长期寿命时，使用失效模式较为简单的离散元件仍然是设计高可靠度系统的原则之一。  

小结  

这次我们谈了齐纳二极管—一种永远操作在逆向偏压崩溃区的特殊二极管，以及由于它这样的特性而衍生出来的电压源设计；也许有读者会好奇，当齐纳二极管不崩溃时，也就是它操作在顺向偏压区时，它的行为是什么样子呢？  

答案是：它就跟一般二极管一样，有个0.6–0.7V左右的顺向偏压，应该不令人意外吧？