齊納二極管技術詳解：反向擊穿、穩壓應用與限幅電路
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普通半導體二極管在反向偏置時幾乎不導通，但在反向電壓過高時會發生擊穿，可能導致器件永久損壞。齊納二極管（Zener Diode）則恰恰相反——它被專門設計用來工作在反向擊穿區，并利用這一特性來實現穩壓、限幅與過壓保護。
本文從齊納二極管的物理特性入手，系統介紹其 I-V 特性、穩壓電路、參數計算示例、標準電壓系列以及在交流限幅與保護電路中的應用。
1. 齊納二極管是什么？
齊納二極管（Zener Diode），也常被稱為“擊穿二極管（Breakdown Diode）”，在結構上與普通 PN 結二極管類似，但在制造過程中通過特殊的摻雜工藝，使其具有確定且較低的反向擊穿電壓，這個電壓就稱為齊納電壓 VZ。
1.1 正向特性：與普通二極管幾乎相同
當齊納二極管處于正向偏置狀態（陽極電位高于陰極）時，其行為與普通硅二極管基本一致：
當正向電壓 VF 超過約 0.7V（硅管典型值）時，二極管導通；
正向電流大小由外接負載及限流電阻決定；
正向工作時，一般不利用其齊納特性，因此正向特性通常不是關注重點。
1.2 反向特性：齊納與擊穿
與普通二極管的區別在于反向偏置時：
普通二極管在反向時僅有極小的反向漏電流，直到超過其最大反向耐壓后會不可控擊穿并損壞。
齊納二極管則在反向電壓達到其設計的擊穿電壓 VZ 時，進入受控的反向擊穿區并穩定導通，而不會損壞（前提是功率在額定范圍內）。
在反向電壓從 0 升高到 VZ 的過程中，僅有很小的反向漏電流流過；一旦反向電壓超過 VZ，耗盡層發生擊穿，反向電流迅速上升，但二端電壓會被“鉗位”在一個近似恒定值附近，這就是齊納穩壓的基礎。
2. 齊納擊穿與 I-V 特性
齊納二極管被設計為在反向擊穿區工作，通常采用如下連接方式：
陰極接正電源，陽極接負電源或地
即工作在反向偏置模式。
在其 I-V 特性曲線中：
正向區：與普通二極管類似，VF 約 0.7V 后導通；
反向區：
0 ~ VZ：只有極小反向漏電流；
達到 VZ 左右時：進入擊穿區，電流迅速增大；
在一定電流范圍內（IZ(min) ~ IZ(max)），二端電壓基本維持在 VZ 附近，呈“幾乎垂直的線段”。
這一特性意味著：
在反向擊穿區（工作區間內），電壓基本不變，電流可以在較大范圍內變化。
因此，只要工作電流保持在：
最小擊穿電流：IZ(min)
最大允許電流：IZ(max)
之間，齊納二極管就可以作為穩定參考電壓源使用。
齊納擊穿電壓 VZ 在生產過程中可以被精確控制，誤差甚至可做到 1% 以內，例如：
4.3V
7.5V
10V
等等
這使得齊納二極管非常適合作為精確電壓基準或穩壓元件。
3. 齊納二極管穩壓器（Zener Diode Regulator）
3.1 基本穩壓電路結構
典型的齊納穩壓電路由三部分組成：
輸入電壓源 VS
串聯限流電阻 RS
齊納二極管與負載 RL 并聯
其中：
齊納二極管陰極接正電源側，處于反向偏置；
負載 RL 與齊納并聯，因此負載電壓等于齊納電壓。
電路關系如下：
輸入：VS
輸出（亦為齊納兩端電壓）：Vout ≈ VZ
串聯電阻：RS 用于限制通過齊納和負載的總電流。
在無負載或輕載情況下，多數電流流過齊納；在重載時，負載電流增大，齊納電流自動減小，只要齊納電流未降到 IZ(min) 以下，輸出電壓仍可保持在 VZ 附近。
3.2 穩壓的工作機理
輸入電壓 VS 或負載電流變化時，流經 RS 的電流將發生變化；
負載 RL 與齊納并聯：
負載電流變化時，多余或不足的電流由齊納吸收或釋放；
齊納工作在擊穿區時，VZ 近似恒定，因此輸出電壓保持基本不變。
前提條件：
VS 必須大于 VZ；
RS 必須足夠大，使齊納電流不超過其最大功率；
在最小負載/最大輸入電壓情況下，齊納電流不得超過 IZ(max)；
在最大負載/最小輸入電壓情況下，齊納電流不得低于 IZ(min)。
3.3 噪聲問題及去耦電容
齊納穩壓在調節過程中可能產生電氣噪聲疊加在 DC 電壓上。
一般情況問題不大，但在對噪聲敏感的電路中，可以在齊納兩端并聯一個較大的去耦電容（如 10uF、47uF 等），實現進一步平滑與濾波。
4. 齊納穩壓實例計算
例 1：
設計一個 5.0V 穩壓電源，輸入為 12V DC，齊納二極管功率額定值 PZ = 2W，要求計算：
a) 最大齊納電流
b) 串聯電阻 RS 的最小值
c) 當負載電阻 RL = 1kΩ 時的負載電流 IL
d) 滿載時齊納電流 IZ
4.1 最大齊納電流
已知：
齊納電壓：VZ = 5.0V
最大功率：PZ = 2W
最大允許齊納電流：
IZ_max = PZ / VZ IZ_max = 2W / 5V = 0.4A
即齊納最大反向電流約為 0.4 A。
4.2 串聯電阻 RS 的最小值
在最不利情況下（無負載、所有電流都流過齊納）：
輸入電壓：VS = 12V
齊納電壓：VZ = 5V
電阻 RS 上的壓降：VS - VZ = 12V - 5V = 7V
為了不超過齊納的最大電流：
RS_min = (VS - VZ) / IZ_max RS_min = 7V / 0.4A = 17.5Ω
工程中會選用略大于 17.5Ω 的標準阻值，例如 18Ω 或 20Ω，以提供安全裕量。
4.3 負載電流 IL（RL = 1kΩ）
負載與齊納并聯，負載電壓約等于 VZ：
IL = VZ / RL IL = 5V / 1000Ω = 0.005A = 5mA
4.4 滿載時齊納電流 IZ
假設 RS 取接近 RS_min，例如 RS = 18Ω（方便計算且有裕量）：
總電流：
I_total = (VS - VZ) / RS I_total = 7V / 18Ω ≈ 0.389A
則：
IZ = I_total - IL IZ ≈ 0.389A - 0.005A ≈ 0.384A
此電流仍低于 IZ_max = 0.4A，齊納在安全范圍內工作并可保持穩壓。
5. 多級參考電壓：齊納二極管串聯組合
除了單個穩壓輸出外，齊納二極管還可以串聯使用，并配合普通硅二極管產生多個不同的參考電壓。
例如：
若串聯一個 12V 齊納和一個 4.7V 齊納，則總參考電壓約為 16.7V；
若再串聯一個普通硅二極管正向導通，則額外增加約 0.6~0.7V。
電路設計時只要滿足：
輸入電壓 Vin > 串聯組合的最高輸出參考電壓；
各齊納電流均保證在其允許范圍內。
例如，如果最高參考電壓為 19V，則 Vin 必須大于 19V。
6. 標準齊納電壓系列（BZX55 與 BZX85）
通用小功率齊納二極管中，常見的有：
BZX55 系列：功率 500mW
BZX85 系列：功率 1.3W
其型號通常采用如下命名方式：
例如：BZX55C7V5 → 表示：
系列：BZX55
電壓等級：約 7.5V
6.1 BZX55 系列（500mW）標準電壓
2.4V 2.7V 3.0V 3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V 5.1V 5.6V 6.2V 6.8V 7.5V 8.2V 9.1V 10V 11V 12V 13V 15V 16V 18V 20V 22V 24V 27V 30V 33V 36V 39V 43V 47V
6.2 BZX85 系列（1.3W）標準電壓
3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V 5.1V 5.6V 6.2V 6.8V 7.5V 8.2V 9.1V 10V 11V 12V 13V 15V 16V 18V 20V 22V 24V 27V 30V 33V 36V 39V 43V 47V 51V 56V 62V
這些電壓值通常與 E24（5%）電阻系列相對應，便于標準化與庫存管理。
7. 齊納限幅電路（Zener Clipping Circuits）
前面討論的主要是齊納在直流穩壓中的應用；那么若輸入為交流 AC 波形時，齊納將表現為一種限幅/削波器件，可用于波形整形和電路保護。
7.1 削波（Clipper）基本概念
削波電路的作用是：
限制輸出電壓的最大值或最小值；
“切掉”輸入波形的某一部分，使輸出波形的頂部（或底部）變平。
齊納二極管削波的典型用途：
過壓保護
輸出波形整形
限制信號幅度
例如：
若希望將波形的正峰值限制在 +7.5V，可使用一個 7.5V 的齊納二極管。當輸出電壓試圖超過 7.5V 時，齊納進入擊穿導通，將多余電壓“截掉”，輸出被鉗位在約 +7.5V。
7.2 正負向削波行為
需要注意的是：
在正向偏置時，齊納仍然是普通二極管，當電壓小于約 -0.7V 時，處于正向導通狀態；
因此，在單管削波中：
正向可能被限制在約 -0.7V
反向被限制在約 +VZ
這使得齊納在 AC 環境下既能利用其反向齊納效應，又會在正向像普通二極管那樣參與削波。
8. 反向串聯齊納：簡易方波與對稱限幅
將兩只齊納二極管**反向串聯（背靠背）**連接到交流信號上，可以得到一種對稱削波結構，有時被戲稱為“窮人的方波發生器”。
以 7.5V 齊納為例：
正向方向：約 +7.5V 附近進入齊納擊穿
相反方向：另一只管在其正向約 0.7V 導通
因此：
波形大致被限制在 +8.2V 和 -8.2V 之間（7.5V + 0.7V）
得到近似的對稱削波波形，接近方波的上、下限。
如果使用兩只不同電壓的齊納，例如希望削波在 +8V 和 -6V：
正向方向：齊納 8V + 正向 0.7V ≈ +8.7V
反向方向：齊納 6V + 正向 0.7V ≈ -6.7V
因此：
實際削波范圍約為 +8.7V 到 -6.7V
總峰峰值約為 15.4V，而非名義上的 14V（多出的 0.7V + 0.7V 來自正向壓降）。
這種結構常用于：
保護電路輸入端口不被高壓損壞
限制模擬信號最大幅度
簡易波形整形與“偽方波”產生
在正常工作電壓范圍內，齊納處于截止狀態，對電路影響極小；一旦輸入超過設定限值，齊納導通削峰，從而實現保護。
9. 小結與展望：從齊納到發光二極管
本文圍繞齊納二極管，完整討論了以下內容：
齊納與普通二極管的區別：工作在反向擊穿區
I-V 特性與關鍵參數：VZ、IZ(min)、IZ(max)
齊納穩壓電路結構與工作機理
限流電阻 RS 與齊納功率的關系
詳細算例：12V 輸入 → 5V / 2W 齊納穩壓設計
齊納串聯產生多級參考電壓
標準電壓系列：BZX55（500mW）、BZX85（1.3W）
齊納在 AC 下的削波、限幅與對稱削峰應用
在后續的二極管應用中，還有一種器件也大量利用 PN 結特性，但不是利用擊穿，而是利用載流子復合產生的光子——這就是發光二極管（LED, Light Emitting Diode）。
當電流正向通過 PN 結時：
電子與空穴在結區復合
部分能量以熱形式釋放
部分能量則以光子的形式釋放
如果在 PN 結外包覆透明或半透明封裝，這些光子就可以被我們看到，于是二極管本身成為一個光源。通過選擇不同的材料與結構，可以得到不同顏色、不同波長的發光器件，這就是后續將要介紹的LED 技術。
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