齊納二極體是我高中科學展覽的大功臣 – 而且表現仍舊優異

電路設計人員使用齊納二極體作為參考電壓及穩壓器,已超過半個世紀之久。在 1970 年我高中三年級的時候,第一次將齊納二極體用在科學展覽上,當時我的專題是「電源供應器設計」。那項專案是有關光纖光通訊系統,並且以紅外線 LED、光電電晶體與塑膠光纖纜線為基礎。當時光纖通訊和光電子產品正處於發展早期,所以那項專案獲獎了。

那個光學通訊系統的設計採用 RTL 數位邏輯,而不是現今「暫存器傳輸級」之類的東西。現今的 RTL 適用於設計 ASIC、SoC、FPGA 及 CPLD 中的邏輯。而在 20 世紀中期,「RTL」指的是「電阻電晶體邏輯」,也就是第一個真正的邏輯 IC 系列。

RTL (邏輯系列) 原本是針對美國的飛彈及航太應用而設計,當時是為了打造阿波羅引導電腦 (AGC) 的邏輯系列因而中選。透過電傳飛操系統,此邏輯系列可控制太空船的主引擎和姿態控制發動機。阿波羅和 AGC 電傳飛操系統是這類系統中第一種沒有機械或液壓備用的系統。從 1968 年到 1972 年,AGC 用於阿波羅 8 號、10 號、11 號、12 號、13 號、14 號、15 號、16 號與 17 號任務,在登陸月球後將太空船安全返回地球。即便阿波羅 8 號和 10 號任務並未真正登陸月球,然而它們的確是在長途航行後安全返回。

AGC 的設計使用了數以千計的 RTL IC,對我來說,能夠在我的科學展覽專案中使用同樣的尖端電子元件,內心感到與有榮焉。畢竟在我設計這個專案時,阿波羅計畫仍在如火如荼地進行。

這些舊款的 RTL IC 需要使用 3.6 V 的穩壓電源供應。現在,類似 Texas InstrumentsLM317 的可調整式三端子穩壓器,可能是簡易型線性電源供應器設計的首選,但是當時三端子穩壓器發明的時間不過一年,尚未普及,而 LM317 直到 1976 年才設計出來。當時,線性穩壓電源供應器電路的首選乃是採用齊納二極體的產品,因此我將此二極體用在我的科學展覽專案上。我的設計採用多個 Motorola Semiconductor 的齊納二極體,並結合一些大型開關電晶體,以便產生三種穩壓供應電壓,包含供 RTL IC 使用的 3.6 V 供應電源。ON Semiconductor 承接了 Motorola Semiconductor 所有的齊納二極體,而且目前仍在銷售中。此外,還有許多採用表面黏著封裝的較新款產品。ON Semiconductor 甚至延續了 Motorola Semiconductor 的舊版齊納二極體手冊,該手冊以 PDF 格式提供 (請見參考資料 1)。

齊納二極體基本知識

齊納二極體受到正向偏壓時,運作方式與其他二極體一樣,但在逆向偏壓下會有所不同。在較低的逆向偏壓下,齊納二極體並不導電,這點與一般半導體二極體的表現相同。但是,一旦齊納二極體兩端間的逆向偏壓達到齊納電壓或崩潰電壓時,二極體便會「崩潰」,接著電流就會流動。

齊納二極體的電流/電壓曲線 (圖 1) 顯示,無論逆向偏壓電流如何,在達到最低要求的齊納電流 (IZT) 後,在逆向偏壓齊納區中,元件兩端間的電壓幾乎保持恆定。也就是說,齊納二極體可在眾多逆向偏壓條件下,提供穩定、已知的參考電壓。

圖 1:齊納二極體的電流/電壓曲線顯示順向偏壓的正常二極體行為 (曲線右半),但顯示逆向偏壓等於或大於齊納電壓時的崩潰行為 (曲線左半)。(圖片來源:ON Semiconductor)

今天,我將齊納二極體用於科學展覽專案已經是將近 50 年前的事了,但這類元件還是一樣能夠作為相當好的參考電壓;作為低電流電源供應器的小型平價穩壓器;甚至在背對背接線時作為訊號電壓夾鉗。

齊納二極體是以克拉倫斯·梅爾文·齊納 (Clarence Melvin Zener) 的名字命名,他是第一位預測到電壓崩潰效應的人,後來在一份 1934 年發表的論文中,這個效應便以他的名字命名。這比威廉·蕭克利 (William Shockley) 注意到此預測效應的時間早了許多,他大約是在 1950 年於貝爾實驗室製造早期半導體二極體時預測的。蕭克利將這些元件命名為「齊納二極體」,藉以紀念預測崩潰效應的人。

如圖 2 所示,在線路圖中具有兩翼的陰極棒符號即是齊納二極體。您可以將齊納二極體線路圖符號中修改過的陰極棒,當成二極體崩潰特性曲線的抽象表示,或者將「Z」字的形狀聯想成「Zener」這個名字。(總之我是這麼想的。)

圖 2:齊納二極體線路圖符號上的陰極棒代表元件的崩潰特性,或者看起來像是代表「Zener」的「Z」字,取決於您的看法。(圖片來源:ON Semiconductor)

齊納二極體有個很重要的特性,當此元件受到逆向偏壓並施以足夠電流 (通常是幾毫安培) 時,即可在整個元件中維持接近恆定的電壓,以便啟動並維持齊納效應。如此近乎恆定的電壓,便可以作為穩定的參考電壓。

齊納二極體可以提供相當多種固定電壓。快速瀏覽 Digi-Key 的齊納二極體頁面,就會看到超過 2,988 種齊納二極體可供選購 (全部都是 ON Semiconductor 的產品),齊納崩潰電壓超過 150 種,範圍從 1.2 至 200 V 都有。

從技術層面而言,任何逆向崩潰電壓超過 5.5 V 的齊納二極體都屬於突崩式二極體,但是齊納二極體與突崩式二極體都展現類似的逆向崩潰效應,讓這類元件能夠用作參考電壓,因此通常會併稱為「齊納式」元件。

齊納二極體崩潰電壓範圍廣泛到令人吃驚。這類元件的實質電壓範圍為 1.2 V 至 7 V,並以 0.1 V 的幅度遞增,因此在使用齊納二極體產生特定參考電壓時,可能不太需要修整。

使用齊納二極體

使用齊納二極體作為參考電壓或穩壓器的關鍵,在於確保元件會接收到足夠的電流 (通常是幾個毫微安培之內),以便在受到逆向偏壓時維持齊納效應。使用大小適當的串聯電阻便能做到這點 (圖 3),而電阻值與瓦數將視 Vin 與 Vref 的數值而定。

圖 3:簡易型齊納參考電壓或穩壓器採用適當的電阻,為齊納二極體供應足以維持齊納效應的電流。(圖片來源:ON Semiconductor)

此線路圖可作為齊納參考電壓,或供低電流電源供應器使用的齊納穩壓器。齊納二極體可作為平價穩壓器,特別是用於較低的恆定電流負載。若負載有所變動,則流過齊納二極體的電流也會變動。齊納二極體必須吸收負載不會用到的任何電流。這點相當重要,因為若負載電流降至零,則齊納二極體必須要能夠處理流經串聯電阻的全部電流。

齊納二極體必須逸散的最大功率,等於流過齊納二極體的電流乘以齊納電壓。對於恆定電流負載,應調整串聯電阻的大小,使剛好足以啟動並維持齊納崩潰效應的電流流過二極體,而剩餘的電流應流過負載。若負載電流可降至零,在零負載流過齊納二極體的電流乘以齊納電壓,便會得出齊納二極體必須逸散的絕對最小功率。同樣地,讓齊納二極體的功率額定值具有適當的餘裕,可避免負載電流可能變動的應用中出現過熱。

如需詳細的應用資訊,以及計算特定齊納二極體應用之適當電阻值所需的方程式,請參閱先前提到的 ON Semiconductor 齊納二極體手冊。

維持齊納崩潰效應所需電流為數個毫安培上下,這對低電流電路可能會是個問題。現在市面上已有工作電流極低的兩端子式參考電壓 (也稱為帶差參考電壓),可供這類應用使用。

例如,Texas Instruments 的 LM4040 精準微功率分流器參考電壓,即具有低於 80 µA 的最小陰極電流,而且提供 2.048 V、2.5 V、3 V、4.096 V、5 V、8.192 V 及 10 V 的固定參考電壓,以及範圍從 0.1% 至 1% 的原廠修整電壓容差。

在使用中,這些參考電壓的電路設計與齊納二極體相同,如圖 3 線路圖所示。LM4040 參考電壓上的兩個啟用端子稱為陽極與陰極,該元件就如同一種二極體。但是,LM4040 明顯不是二極體,如其線路圖所示 (圖 4)。

圖 4:LM4040 參考電壓的內部線路圖顯示,此元件遠遠不只是簡易型二極體。(圖片來源:Texas Instruments)

結論

即便元件問世已久,這並不代表此產品已經不實用了。元件供應商製造齊納二極體已有六十多年的歷史,而這類元件仍然相當實用,一如往常執行相同的任務。雖然我已經有點改變,我的角色也有些改變,但我還是一樣能幹可靠 (感謝上蒼!)。

若是您需要工作電流要求較低的參考電壓,也請務必參考看看兩端子式參考電壓。

 

參考資料:

1 – ON Semiconductor - Zener Theory and Design Considerations

關於作者

Image of Steve Leibson Steve Leibson 曾任 HP 和 Cadnetix 的系統工程師、EDN 和 Microprocessor Report 的總編輯,以及 Xilinx 和 Cadence 等的科技部落客,也曾在兩集《The Next Wave with Leonard Nimoy》電視節目中擔任技術專家。33 年來,他協助設計工程師開發更優良、更快速且更可靠的系統。
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