齐纳二极管和雪崩二极管原理

瞬态电压抑制二极管(Transient voltage suppression diode)也称为TVS二极管，是一种保护用的电子零件，可以保护电器设备不受导线引入的电压尖峰破坏。TVS二极管会和要保护的电路并联。当其电压超过突崩溃准位时，直接分流过多的电流。TVS二极管是箝位器，会抑制超过其崩溃电压的过高电压。当过电压消失时，TVS二极管会自动复归，而其吸收的能量比类似额定的撬棒电路要大很多。TVS二极管有单向的及双向的。单向的TVS二极管在顺向操作时类似整流子，但在其设计允许承受很大的峰值电流，1.5KE系列的瞬间功率可以到1500 W。双向的TVS二极管可以视为是二个极性相反的雪崩二极管相串联，再和要保护的电路并联。虽然在电路中会标示为二个二极管，不过实际元件是将二个二极管封装在同一个包装中。TVS二极管过电压反应的速度会比其他的过电压保护元件(例如压敏电阻或是气体放电管)要快。实际的箝位大约只有一皮秒，但因为实际电路中导线存在电感，因此保护元件需容许较长时间的大电压。因此TVS二极管会比其他元件适合保护电路不受很快，而且有破坏性的电压突波。像许多分散式的电路都有这种快速的过电压突波，可能因为内部因素或是外部因素造成，例如闪电或是马达短路。瞬态电压抑制器若使用在超过其设计条件的环境下，可能会损坏。瞬态电压抑制器的失效模式有三种：短路、开路、元件额定下降。TVS二极管常会称为是transorbs，或是Vishay半导体的注册商标TransZorbs。

二极管具有正向导通以及反向电压钳位的特性，合理地利用这一特点就可取得抑制瞬态过电压的作用。实践中，人们设计了齐纳二极管、雪崩二极管以及在此基础上改进而成的瞬态过电压抑制TVS管。这些二极管并联在被保护电路两端，当其上的雷击电涌、ESD电压超过一定的幅度时，二极管迅速导通钳位，将过电压冲击能量泄放掉。同压敏电阻相比，抑制二极管不仅响应速度更快，而且钳位电压更平坦、更稳定。基于硅材料的齐纳二极管、雪崩二极管、TVS管具有多种封装、组合方式和不同的容量规格，具有保护精准、体积小、可靠性高等优点，目前在数码相机、扫描器、计算机、手机等消费电子领域以及通信网络产品领域得到了广泛应用。

1、 齐纳二极管和雪崩二极管

1.1 齐纳二极管和雪崩二极管原理

二极管内部PN结是其特性的决定因素，齐纳二极管和雪崩二极管进行过电压钳位也是利用了这个特性。图1所示为二极管的典型伏安特性曲线，该曲线具有正向导通、反向关断以及反向击穿三个状态。当二极管承受正向电压大于0.7V时，即正向导通;当二极管承受的反向电压不大，小于VWM时，PN结反偏形成的漏电流很小，二极管接近关断状态;当反向电压继续增大，高于一定值VBR时，PN结反向击穿导通，反方向电流迅速增大。齐纳二极管和雪崩二极管的反向击穿曲线特别陡，具有很好的电压钳位性能，因此适用于瞬态过电压的保护。图2所示为齐纳二极管、雪崩二极管实物图及其电路符号。

齐纳二极管和雪崩二极管虽然都可以进行反向电压钳位，但两者的机理和特性还是有一些区别的。齐纳二极管利用的是隧道量子效应，当PN结很薄时，在较高反向电压作用下，PN结中存在的强电场将电子从结的一侧穿透到另一侧，从而形成大的反向电流。齐纳击穿需要的电场强度较大，仅在杂质浓度特别大、电荷密度大且薄的PN结才能做得到。通过串联齐纳二极管就可获更高的反向钳位电压，使得其在稳压器、电压基准元器件方面广泛应用。雪崩二极管的反向击穿是PN结反向电压增大到一数值后，载流子能量在很强电场的作用下增大，其晶体原子不断相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对。新产生的载流子又增加速度，再进行碰撞产生新的自由电子-空穴对，数量不断发生倍增效应，即像雪崩一样增加载流子，从而产生更大的反向电流。通常的二极管掺杂浓度不太高，因此，击穿机理多为雪崩击穿效应。

从应用的角度来讲，反向击穿电压小于5V的PN结因耗尽层薄而多为齐纳击穿机理。反向击穿电压大于8V的PN结则多为雪崩击穿机理。反向击穿电压在5～8V之间的二极管则可能同时具有齐纳或雪崩击穿过程。齐纳二极管和雪崩二极管虽均利用反向击穿进行过电压抑制，二者在耐受暂态脉冲冲击能力和钳位电压水平方面还是有所差异的。通常，齐纳二极管响应速度慢于雪崩二极管，耐冲击电流能力也较小。因而，在瞬态过电压保护电路中多用雪崩二极管，在稳压电路中更多地用齐纳二极管。此外，两者受温度影响的效果也不同。齐纳二极管多为负温度系数，随着结温的上升，反向击穿电压下降。而雪崩二极管为正温度系数，随着结温的上升，反向击穿电压上升。

上述齐纳二极管、雪崩二极管均为单方向起钳位电压作用的。为了能抑制正、负两个方向的过电压，人们将两只二极管的阴极对接，串联起来，封装在一个体内。用这种方式，同时还可以起到减小单个管子间连线的寄生电感、改善钳位效果、减小体积的优点。图3所示为双向钳位二极管的伏安特性曲线和电路符号。

1.2 齐纳二极管和雪崩二极管的性能特点

齐纳二极管和雪崩二极管有自己突出的性能特点，既具有反应快、吸收容量小的优点，也有漏电流大、寄生电容大的缺点，在使用时需要合理运用。

(1)响应时间

齐纳二极管和雪崩二极管是通过很薄的PN结效应来实现电压钳位的，其响应时间可达皮秒级。相对于气体放电管、压敏电阻，它的反应速度更快，因此能在过电压出现后很快就响应，将过电压钳位到较小数值，有利于保护后续敏感电路。此外，齐纳二极管和雪崩二极管的钳位电压波动很小，相对于压敏电阻来讲，反向击穿段的动态电阻更小，残压比更低，保护也更精准。当然，齐纳二极管和雪崩二极管的钳位电压范围、吸收能量容量与气体放电管、压敏电阻相比，数值上一般要小很多。因此，它们适合直接作为低电平工作的敏感IC、线路以及电子设备的雷击电涌、ESD多级保护电路的最末一级，对过电压脉冲进行直接的可靠保护。

(2)泄漏电流

齐纳二极管和雪崩二极管在被保护电子设备中工作时，在系统正常工作电压下，处于反向关断区，但PN结的反向阻挡层厚度有限，其关断电阻无法做到很高，从而在系统工作电压作用下产生一定的漏电流。齐纳二极管和雪崩二极管的漏电流与气体放电管、压敏电阻相比，其相对值更大，成为一个缺点。例如，仅在5V电压作用下，有些齐纳二极管的漏电流可达1～5mA，有些雪崩二极管的漏电流也可达几百微安至1mA。

齐纳二极管和雪崩二极管的漏电流主要受外加反向电压的大小、PN结区温度高低的影响。一般来讲，二极管的泄漏电流会随反向电压的增大而增大。击穿电压高的二极管的漏电流比击穿电压低的二极管的泄漏电流小。PN结温度对二极管泄漏电流的影响则因二极管的不同而有所不同。对击穿电压高的二极管，泄漏电流整体的数值小些，但当结温度变化时，漏电流的数值变化较大;而对击穿电压低的二极管，漏电流虽相对大一些，但结温变化时，漏电流数值变动却相对较小。因此，在使用齐纳二极管和雪崩二极管时，应注意进行适当的散热处理和设计。

(3)寄生电容

在齐纳二极管和雪崩二极管的PN结内因反型层而存在着寄生电容。该寄生电容的大小主要由PN结的面积、半导体材料的介电常数、外加电压大小等因素决定。齐纳二极管和雪崩二极管的寄生电容与压敏电阻的寄生电容都比较大，可从几十到几千皮法，远大于气体放电管的寄生电容，因此会对并联的高速信号传输产生不利影响。

此外，二极管的功率和反向电压大小也会对寄生电容有着一定的影响。随着二极管功率容量的加大，PN结的面积也会相应增大，以便减小热阻，提高通流能力，因此寄生电容也会增大;二极管反向电压越大，PN结反型层厚度就越大，电荷分布的间距就越大，等效寄生电容就会小。该寄生电容在不同反向电压下数值也会不同。

为减小齐纳二极管和雪崩二极管的寄生电容，人们常将普通二极管与雪崩二极管串联使用。由于普通二极管的寄生电容很小，为20～50pF，与有较大寄生电容的齐纳二极管或雪崩二极管相串联后，支路等效电容为两者电容值的串联，即由小的电容量决定，从而使寄生电容数值大幅度降低。图4所示为两种串联设计，但由于普通二极管的响应速度慢一些，整个串联支路的响应时间也会延长。

1.3 齐纳二极管和雪崩二极管主要性能参数

(1)钳位电压

钳位电压即反向击穿电压，通常在反向电流为10mA或1mA时进行测量而得。

(2)额定电流

二极管在反向钳位状态下正常工作所允许的稳态电流为额定电流。

(3)脉冲功率

脉冲功率是二极管在10/1000μs的脉冲电流波形下，最大脉冲电流峰值Ipk与最大钳位电压Ucm的乘积。该值远大于钳位电压与额定电流的乘积，即稳态吸收功率。