雪崩二极管 雪崩二极管的基础知识解析

雪崩二极管是一种固体微波器件，由于半导体结构中载流子的碰撞电离和渡越时间，其电阻为负。

PN结具有单侧导电性，正向电阻小，反向电阻大。

当反向电压增大到一定值时，反向电流突然增大。是反向电击穿。分为雪崩击穿和齐纳击穿(隧道击穿)。

雪崩击穿是指当PN结的反向电压增加到一定值时，载流子倍增像雪崩一样迅速增加很多。

由这一特性制成的二极管是雪崩二极管

雪崩击穿是指在电场的作用下，载流子能量增加，不断与晶体原子碰撞，从而激发共价键中的电子，形成自由电子-空空穴对。新产生的载流子通过碰撞产生自由电子-空空穴对，这就是倍增效应。1生2，2生4，像雪崩一样增加载流子。

齐纳击穿完全不同。在高反向电压下，PN结内存在强电场，可以直接破坏共价键，分离束缚电子，形成电子-空空穴对，形成大反向电流。齐纳击穿需要很大的电场强度！只有在杂质浓度极高的PN结中才能做到这一点。(杂质越大，电荷密度越大。)

普通二极管掺杂浓度没那么高，电击穿是雪崩击穿。齐纳击穿大多发生在特殊的二极管中，即齐纳二极管

是一种在外加电压作用下能产生高频振荡的晶体管。产生高频振荡的工作原理是通过雪崩击穿将载流子注入晶体。因为载流子穿过晶圆需要一定的时间，所以它们的电流滞后于电压，导致延迟时间。如果渡越时间控制得当，电流和电压的关系会出现负阻效应，产生高频振荡。它常用于微波领域的振荡电路。

工作原理

在低掺杂浓度的PN结中，当PN结反向电压增大时，空之间的电荷区电场增大。这样，通过空之间的电荷区中的电子和空空穴，在电场作用下获得的能量会增加，晶体中运动的电子和空空穴会不断地再次与晶体原子碰撞。当电子和空空穴的能量足够大时，共价键中的电子可以由这种碰撞引起。新产生的电子和空空穴也反向运动，从而重新获得能量，通过碰撞，再次产生电子-空空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增加到一定值时，载流子的倍增就像陡峭的多雪山坡上的雪崩，载流子增加得又多又快，从而反向电流急剧增加，PN结发生雪崩击穿。利用这一特性，可以制造高背电压二极管。下图是雪崩击穿的示意图。

雪崩二极管是一种负阻器件，其特点是输出功率高但噪声大。主要噪声来自雪崩噪声，由电子、空空穴和雪崩倍增时的不规则性引起，性质与散弹噪声类似。雪崩噪声是雪崩二极管振荡器的噪声远高于其他振荡器的主要原因。

雪崩二极管如何帮助防止过压

在高性能应用中，当IGBT高速开关时，总是会出现过压。例如，当负载电流电路关闭时，集电极-发射极电压突然上升并达到非常高的峰值。开关引起的过电压会严重损坏甚至破坏开关晶体管。

一种常见的过压保护方法是“主动箝位”。在这种情况下，雪崩二极管用作直接反馈。如果关断引起感性负载的峰值过压，则通过雪崩二极管传导到IGBT的栅极，IGBT再次导通。

上图是基本原理:电压升高，二极管被阻断(a)。在耗尽区，当自由电子触发雪崩时，电压突然下降到低于30V的击穿电压电平，雪崩二极管立即击穿(B)。重启前，有时雪崩电流只能在短时间内保持稳定，电压再次上升(C)。击穿延迟(d)，即两次击穿事件之间的时间是不可预测的。

建议将具有改善噪声性能的雪崩二极管用于有源箝位过压保护，因为它们可以:

反向电压快速上升时击穿更快

它在低电流(低于~1mA)下具有更稳定的击穿电压，因此:

延长IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管等其他器件的寿命，从而:

为变频器或电机控制器等应用节省成本，因为需要更换的组件更少。

雪崩二极管的噪声是怎么产生的？

雪崩二极管的噪声来源于雪崩的不断通断，即电压峰值的不断产生及其突然击穿(见图)。触发雪崩击穿有两个先决条件:

1.有足够的击穿电压来产生碰撞电离的临界电场强度。

2.有自由电子，从而形成漏电流。

例如，1.6Pa = 1.6×10-12A的漏电流等于每秒107个电子通过阻挡层的电子流速，这意味着统计上每100ns只能触发一次雪崩。然而，由于不是每个电子都触发雪崩，触发时间实际上会更长。因此，触发雪崩击穿的概率与漏电流成正比。换句话说，漏电流越大，触发雪崩击穿的概率越高，或者击穿延迟时间越短(图:D)。

在影响漏电流的两个电子之间，二极管上的反向电压会显著高于击穿电压水平。只有当下一个碰撞电子触发雪崩时，二极管的电压才会突然下降到击穿电压水平。

如果电压源提供足够的电流，例如1mA，雪崩击穿可以通过连续的碰撞电离保持自身运行，从而产生稳定的雪崩电流。

但是，如果源电流过低，例如100μA，低于击穿电压电平的雪崩电压突然下降，导致二极管放电，这将导致雪崩击穿立即再次停止。此时需要一定的时间对二极管和线电容进行充电，使低源电流达到所需的电压水平，然后下一个电子就可以触发新的雪崩。这种雪崩的持续导通和关断导致雪崩二极管击穿的典型噪声。

二极管噪声性能的差异也可以从图中看出:两个Z二极管(齐纳二极管)的击穿电压范围如图，在100μA的反向电流(IR)下测得的击穿电压为30V。一个二极管基于标准技术，使用非常低的漏电流，而另一个二极管使用“低噪声技术”。“低噪声技术”的齐纳二极管具有更为鲁棒的电压特性，优于另一种只能在短时间内保持恒定雪崩电流的二极管(C)。

VIA为Z二极管提供了“低噪声技术”。这些新一代产品包括SMF、BZD27、BZG 03、BZG04、BZG05、PLZ和VTVS系列。由于漏电流(IR~10nA)适度增大，触发雪崩击穿的可能性明显增大，从而降低了噪声，为用户提供了更大的低电流(1mA以下)稳定性

二极管噪声的进一步影响因素

漏电流随温度呈指数增长，即噪声随温度降低。光还可以在二极管的耗尽区释放自由电子，从而降低噪声水平。这意味着周围环境越暗越冷，噪音水平越高。

本内容由边肖云汉新城通过网络编制。想了解更多的电子元器件以及电子元器件行业的实时市场信息，请关注微信微信官方账号。

（免责声明：素材来自网络，由云汉芯城小编搜集网络资料编辑整理，如有问题请联系处理！）