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圖1.15 PN結(jié)二極管的反向擊穿。
導(dǎo)致反向擊穿的一個機(jī)制是avalanche multiplication。考慮一個反向偏置的PN結(jié)。耗盡區(qū)隨著偏置上升而加寬，但還不夠快到阻止電場的加強(qiáng)。強(qiáng)大的電場加速了一些載流子以非常高的速度穿過耗盡區(qū)。當(dāng)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(chǎn)生了額外的載流子。因為一個載流子能通過撞擊來產(chǎn)生額外的成千上外的載流子就好像一個雪球能產(chǎn)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(jī)制是tunneling。Tunneling是一種量子機(jī)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(qū)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(qū)寬度和結(jié)上的電壓差。Tunneling引起的反向擊穿稱為齊納擊穿。
結(jié)的反向擊穿電壓取決于耗盡區(qū)的寬度。耗盡區(qū)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(qū)越寬，擊穿電壓越高。當(dāng)擊穿電壓低于5伏時，耗盡區(qū)太薄了，主要是齊納擊穿。當(dāng)擊穿電壓高于5伏時，主要是雪崩擊穿。設(shè)計出的主要工作于反向?qū)ǖ臓顟B(tài)的PN二極管根據(jù)占主導(dǎo)地位的工作機(jī)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(jié)的擊穿電壓不僅和它的摻雜特性有關(guān)還和它的幾何形狀有關(guān)。以上討論分析了一種由兩種均勻摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域在一個平面相交的平面結(jié)。盡管有些真正的結(jié)近似這種理想情況，大多數(shù)結(jié)是彎曲的。曲率加強(qiáng)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(yīng)對薄結(jié)的擊穿電壓由很大的影響。大多數(shù)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(qiáng)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(jié)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(dǎo)，因為齊納管通常工作在反向偏置狀態(tài)下。對于casual observer來說，這個符號出現(xiàn)時旁邊應(yīng)該再插入一句“方向反了”。
圖1.16 PN結(jié)，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。
經(jīng)常看到問關(guān)于穩(wěn)壓管（齊納管）的問題，所以略做總結(jié)。
齊納管一般有兩種用法（以下IZ為工作電流，UZ為標(biāo)稱穩(wěn)壓電壓，UW為實際工作電壓）：
1 正常工作時處于"導(dǎo)通"狀態(tài)，IZ≥0.1mA量級，此時齊納管起穩(wěn)壓作用，UW≈UZ。
2 正常工作時處于"截止"狀態(tài)，即UW
其實常用齊納管主要分兩類，一類就是通常所謂的"穩(wěn)壓管"，另一類是TVS類器件。前者通常是第一種用法，后者通常是第二種用法。但也不絕對，兩者只是特性參數(shù)各有特點。普通的穩(wěn)壓管同樣可以用作保護(hù)器件，只是響應(yīng)速度差一些，不適合需要抑制極高速度脈沖干擾的場合。TVS也可以拿來當(dāng)穩(wěn)壓管用，當(dāng)然也不合適。
總結(jié)一下，我發(fā)現(xiàn)初學(xué)者常犯如下幾種錯誤：
1． 把齊納管特性想得太美好：當(dāng)UW7V），那曲線還湊合，換個低壓的，例如3V的，那實際曲線真是夠"柔美"的，1.5V電壓時就有很大電流了，直到IZ增加到數(shù)十mA，UZ才懶洋洋地達(dá)到標(biāo)稱值，簡直就是個拋物線嘛。
2． 用齊納管做保護(hù)的，一不懂世間萬事皆有代價，這里的代價就是漏電流IR（"截止"狀態(tài)下的IZ）：IR>0；二不懂世間萬事皆須留有余地，這里的余地就是確保"截止"的電壓余量UM：UM＝UZ-UW>0（IR→很小）；三不懂世間萬事皆有彈性（讓步），這里的彈性就是導(dǎo)通狀態(tài)下UW隨著IZ增加的增量UP：UP=UW-UZ>0（IR→很大）。而且即使留了余地，付出了代價，仍然要做讓步。要減小IR，就要提高ΔU，也就是選高UZ的管子，但這樣又會降低保護(hù)的"力度"。
3． 不明白齊納管動態(tài)內(nèi)阻dV/dI>0，即UZ會隨IZ增加。這就不多說了。
4． 不明白齊納管的反應(yīng)是比較遲鈍的，UW變化了，IZ并不會立即跟著變，而是有延遲。而且有結(jié)電容，而且結(jié)電容有時還相當(dāng)大。按教科書上的電路圖，把齊納管接到運放反饋臂上做限幅，還為自己能靈活運用運放的負(fù)反饋技術(shù)而沾沾自喜。但輸入個幾MHz的方波后，發(fā)現(xiàn)輸出全不是那么回事，就懵了。
從這幾條可以總結(jié)出一些原則：
1． 盡量避免使用低壓齊納管。
2． 用齊納管做保護(hù)要合理選擇UZ，使UWMAX＋UM3． 設(shè)計電路要有"動態(tài)"的概念，電路跟人，跟一切機(jī)器一樣都有反應(yīng)遲鈍的問題，區(qū)別只在于"更遲鈍"和"更不遲鈍"。
4． 記住墨菲定律："事情凡是能夠更糟糕的，就一定會更糟糕"。
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