齐纳二极管（Zener Diode），又称稳压二极管，是一种特殊的半导体器件，广泛应用于电子电路的电压稳定与参考电压生成领域。其核心特性是在反向击穿状态下，能够维持一个相对稳定的电压，这一特性使其成为现代电子设计中不可或缺的元件。
一、工作原理
齐纳二极管的核心在于其独特的反向击穿机制。当施加的反向电压达到其特定的“齐纳电压”（或“击穿电压”）时，二极管并不会像普通二极管那样因热击穿而损坏。相反，它会进入一种可控的击穿状态。此时，通过二极管的电流可以在很大范围内变化，而二极管两端的电压却几乎保持不变。这种击穿主要分为两种微观机制：
1. 齐纳击穿：主要发生在低电压（通常低于5V）的齐纳二极管中。在高电场强度下，共价键中的电子被直接拉出，产生电子-空穴对，形成较大的反向电流。
2. 雪崩击穿：主要发生在高电压（通常高于7V）的齐纳二极管中。载流子（电子或空穴）在强电场中加速获得足够动能，撞击晶格原子并产生新的电子-空穴对，新产生的载流子又被加速并继续碰撞，形成雪崩式的倍增效应，导致电流急剧增加。
许多齐纳二极管，尤其是在5V至7V之间的型号，其击穿是两种机制共同作用的结果。
二、主要特性与参数
- 齐纳电压 (Vz)：这是最重要的参数，指二极管在指定测试电流（Iz）下的反向击穿电压。不同型号的齐纳二极管具有从几伏到几百伏不等的标准电压值。
- 额定功率 (Pz)：指二极管能够安全耗散的最大功率，通常为常见的1/4W、1/2W、1W、5W等。它决定了二极管能够承受的最大工作电流（Izmax = Pz / Vz）。
- 动态电阻 (Zz)：指在击穿区，二极管两端电压变化量与电流变化量的比值。该值越小，说明二极管的稳压性能越好。
- 温度系数：指齐纳电压随温度变化的比率。通常，低于5V的齐纳二极管具有负温度系数，而高于7V的则具有正温度系数。温度系数接近零的器件常被用作精密电压基准。
三、典型应用电路
- 简单并联稳压电路：这是最经典的应用。将齐纳二极管反向并联在负载两端，并串联一个限流电阻。当输入电压或负载电流变化时，齐纳二极管通过调整自身的电流，将负载电压稳定在Vz附近。电路简单，但稳压精度和效率有限，适用于小电流、对精度要求不高的场合。
- 电压基准源：利用齐纳二极管稳定的Vz，为模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、比较器等电路提供高稳定性的参考电压。此时常选用温度系数小、噪声低的精密齐纳二极管或基准电压源芯片。
- 过压保护电路：将齐纳二极管并联在被保护电路的输入端。当输入电压超过Vz时，二极管迅速导通，将电压钳位在安全值，并分流过大电流，保护后级精密元件。
- 电平移位与波形钳位：在信号处理电路中，利用齐纳二极管可以将信号电压的峰值限制在特定范围内，或产生所需的电压偏移。
四、选型与使用注意事项
- 选择合适的Vz和Pz：根据所需稳定电压和最大负载电流（并考虑一定裕量）来选择。确保工作电流Iz介于最小稳定电流（常取1-5mA）和最大允许电流Izmax之间。
- 限流电阻计算：在并联稳压电路中，限流电阻R的计算至关重要：R = (Vin - Vz) / (Iz + Iload)。需确保在最坏情况下（如Vin最大、Iload最小），流过齐纳二极管的电流不超过Izmax；在最好情况下（如Vin最小、Iload最大），电流不低于最小稳定电流。
- 温度影响：在高温或精密应用中，必须考虑齐纳电压的温度漂移，必要时采用温度补偿型齐纳二极管或集成基准源。
- 噪声考虑：齐纳二极管在工作时会产生电噪声，在低噪声放大或高精度采样等敏感电路中，可能需要额外的滤波或选用低噪声型号。
五、
齐纳二极管以其独特的反向击穿稳压特性，在电子电路中扮演着“电压锚点”的角色。从简单的电源稳压到复杂的精密测量系统，其身影无处不在。深入理解其工作原理、关键参数和应用要点，是进行可靠电路设计的基础。随着技术的发展，虽然出现了性能更优的三端稳压器、低压差线性稳压器（LDO）和开关稳压芯片，但齐纳二极管因其结构简单、成本低廉、响应速度快等优点，在许多特定场合仍然具有不可替代的优势。
