【Maker電子學】稽納二極體的原理與應用

作者:Bird

稽納二極體在二極體元件中相當特殊,它不像一般二極體工作在順向偏壓,反而多半工作在逆向偏壓,以作為電壓源之類的電路來使用。這次我們就來聊聊稽納二極體的原理以及它常見的應用。

順境中的二極體

一般的二極體多半操作在順向偏壓,也就是電流由二極體的陽極(anode)流向陰極(cathode),而由於半導體材料本身的特性,陽極和陰極之間會有一個電壓差,稱之為二極體的順向偏壓(forward bias),在規格書上常常以 Vf 來表示。

二極體的 V因著半導體的材料不同而有所變異。常見的矽二極體,順向偏壓在 0.6 V–0.7 V 左右,而現在比較少用的鍺二極體,順向偏壓只有 0.2 V 左右,其他各式各樣的 LED,順向偏壓則從 1.5 V 到 3 V 以上不等。

(圖片來源:Bird 提供)

二極體的順向偏壓由於是因材料本身的特性而形成,不太隨溫度變化,因此在電路設計上常常拿來作為穩定的電壓源使用。在很多 AB 類放大器的電路中,常串連二極體來墊高上下兩顆電晶體之間的基極電壓差,來設定 AB 類放大器的工作點(一個便當不夠就吃兩個,一顆二極體不夠就再串一個),像是當你需要 1.2 V 的壓差時,就串連兩顆矽二極體,需要 1.8 V 就串連三顆。

但是當你需要 12 V 的時候怎麼辦?難道要串 20 個二極體?

這時候就輪到「稽納二極體」登場了!

稽納二極體(圖片來源:Bird 提供)

二極體在逆向偏壓時,也就是陽極電壓低於陰極電壓時,是不會導通的。

(圖片來源:Bird 提供)

但並不是陰極電壓高於陽極電壓多少它都不會導通,它的忍耐還是有限度的。

這是典型的二極體電壓–電流曲線(I-V curve):

(圖片來源:Bird 提供)

可以看到,當它在正偏壓(forward bias)時,會有一個 0.7 V 左右的偏壓,如果加在它上面的電壓比這個偏壓高,電流就會幾乎無限制的增加(以維持這個偏壓)。

而當它工作在逆偏壓區時,可以看到在大部分的狀況下,都不會有電流流過二極體,直到逆偏壓大於某個電壓後,流過二極體的電流就會快速增加。這個電壓稱之為「崩潰電壓」,當二極體的逆向偏壓超過崩潰電壓以上時,二極體就再也擋不住逆向偏壓,然後就會有非常大的電流流過它,甚至損壞二極體本身。

對於大部分的一般二極體來說,崩潰是個不可逆的反應,也就是崩潰一旦發生,通常伴隨著不可逆的損壞,但稽納二極體很不一樣。

天生崩潰的稽納二極體

稽納二極體是一種經過特別製程製造的二極體,它的逆向崩潰電壓通常沒有一般二極體那麼高,而且它的崩潰現象是可逆的(只要你不要太摧殘它)。

一般的矽二極體,逆向崩潰電壓多半在數十伏特到一百伏特上下,有些耐高壓的整流用二極體(如 FR107)甚至可以承受高達 1000 V 的逆向偏壓。

由於稽納二極體經過特殊設計,它的逆向崩潰電壓從一兩伏特到一百伏特不等。最重要的是,它的崩潰反應是可逆的,也就是說當我們加在它上面的逆向偏壓高於它的崩潰電壓時,它會崩潰導通,但當逆向偏壓小於它的崩潰電壓,它會恢復正常,等待下一次的崩潰。

因為這個特性,我們可以拿稽納二極體的逆向偏壓來當作電壓源使用。典型的電路如下圖:

(圖片來源:Bird 提供)

在這個電路中,D1 會維持 V1 到電池負極的電壓恆定,不管從 V1 流出多少電流,V1 的電壓都會等於 D1 的逆向崩潰電壓。

R1 的作用是用來限制在 V1 沒有負載時,流過 D1 的電流。如果我們不放 R1,當電池的電壓大於 D1 的逆向崩潰電壓時,D1 就會暴走,它便會以幾近短路的姿態讓非常大的電流流過自己,設法讓自己身上的電壓等於崩潰電壓,但因為大電流流過二極體時,它上面的功率消耗會等於電流乘上壓差,因此當電流過大時,D1 就會燒毀自己。

那如果 R1 放大一點呢?R1 其實是這個電壓源的內阻,如果我們放了太大的 R1,當我們需要從 V1 抽取大電流時,就有可能拿不到足夠的電流,這時 V1 就不是一個好的電壓源了。因此稽納二極體雖然是一個好的參考電壓源,但實務上單獨使用稽納二極體無法供應太大的電流,這時候在這個電路中加一個電晶體,能讓這個電路變得實用一點:

(圖片來源:Bird 提供)

這個電路只利用電晶體的一個特性:電晶體的 VBE 電壓是恆定的(不管流過它的電流大小)。假設圖中這顆電晶體它的 VBE 是 0.7 V,那 V2 的電壓就會比 V1 高 0.7 V,而由於 V2 來自電池和電晶體,它可以供應的電流會遠比 V1 大的多。

我們來看一個實際的例子。假設我們今天要設計一個 3 V 的穩壓電源,而輸入是 6 V,我們希望這個電源可以供應最大 500 mA 的電流,那首先我們要選擇電晶體,既然輸出要能到 500 mA,電晶體最少就要能流過 500 mA,我們可以選用常見的小訊號放大用電晶體 MMBT2222,它可以承受 600 mA 的連續電流:

MMBT2222(圖片來源:Bird 提供)

因為我們需要 3 V 的輸出,而矽電晶體的 VBE 是 0.6 V 左右,因此我們需要一個 3 V – 0.6 V = 2.4 V 的稽納二極體。

我們選用 1N5221 這顆 2.4 V 的稽納二極體:

(圖片來源:Bird 提供)

事實上稽納二極體的編號是有跡可循的。你可以找到很多不同廠牌不同封裝但都以 52 開頭的稽納二極體,但不管是 MMBZ5221、TZM5221、MMSZ5221、還是 1N5221,它們通通是 2.4 V 的稽納二極體,只是封裝、耐電流或其它特性不同,而市場上可以買到的稽納二極體電壓,絕大多數都遵循 5 % 誤差的 E24 數字系列,也就是 22、24、27、30、33、36、39…這個序列。

接下來我們要決定這個電路中的限流電阻 R1。我們知道 MMBT2222 的電流放大率最少是 100 倍,因此若要輸出 500 mA,就要有 5 mA 的 IB,而電源電壓是 5 V,如果 V1 要有 5 mA,最大的 R1 就會是:R1 = 5(V)/ 0.005(A)= 1 K(Ω)

電路設計一定要有裕度,因此我們不會剛好放 1 KΩ 的 R1,而是再放稍微小一點的值。

最後這個電路就變成:

(圖片來源:Bird 提供)

這個看似簡單的電路,事實上在穩壓 IC 盛行之前的那個年代,是非常常見的穩壓電源電路,不過由於半導體的進步,現在更精密、更快速的穩壓電源 IC 隨手可得,除非在極高可靠度的應用中,我們已不常使用稽納二極體加上電晶體做為穩壓電源來使用。

為什麼在高可靠度的系統中仍然會使用稽納二極體加上電晶體做為穩壓電源呢?因為多個香爐多隻鬼,當 IC 的可靠度資料不足或是無法預測它的長期壽命時,使用失效模式較為簡單的離散元件仍然是設計高可靠度系統的原則之一。

小結

這次我們談了稽納二極體—一種永遠操作在逆向偏壓崩潰區的特殊二極體,以及由於它這樣的特性而衍生出來的電壓源設計;也許有讀者會好奇,當稽納二極體不崩潰時,也就是它操作在順向偏壓區時,它的行為是什麼樣子呢?

答案是:它就跟一般二極體一樣,有個 0.6–0.7 V 左右的順向偏壓,應該不令人意外吧?

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
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Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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2 Comments

  1. 您好,
    我是新北市永和國中科技中心的老師,
    您的文章寫得很實用, 也很容易看懂,
    請問我們可以轉貼到我們中心的粉絲頁上嗎?
    謝謝您

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    • 我是總編,若是用原文連結轉貼到粉專推文是很OK的喔~

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