雪崩二極管是利用半導體結構中載流子的碰撞電離和渡越時間兩種物理效應而產生負阻的固體微波器件。

 

PN結有單向導電性，正向電阻小，反向電阻很大。

 

當反向電壓增大到一定數值時，反向電流突然增加。就是反向電擊穿。它分雪崩擊穿和齊納擊穿（隧道擊穿）。

 

雪崩擊穿是PN結反向電壓增大到一數值時，載流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。

 

利用這個特性製作的二極管就是雪崩二極管

雪崩擊穿是在電場作用下，載流子能量增大
，不斷與晶體原子相碰
，使共價鍵中的電子激發形成自由電子-空穴對。新產生的載流子又通過碰撞產生自由電子-空穴對，這就是倍增效應。1生2
，2生4，像雪崩一樣增加載流子。

 

 

齊納擊穿完全不同，在高的反向電壓下

，PN結中存在強電場，它能夠直接破壞共價鍵將束縛電子分離來形成電子-空穴對，形成大的反向電流。齊納擊穿需要的電場強度很大！隻有在雜質濃度特別大的PN結才做得到。（雜質大電荷密度就大）

 

一般的二極管摻雜濃度沒這麼高
，它們的電擊穿都是雪崩擊穿。齊納擊穿大多出現在特殊的二極管中，就是穩壓二極管

 

它是在外加電壓作用下可以產生高頻振蕩的晶體管。產生高頻振蕩的工作原理是：利(li)用(yong)雪(xue)崩(beng)擊(ji)穿(chuan)對(dui)晶(jing)體(ti)注(zhu)入(ru)載(zai)流(liu)子(zi)，因(yin)載(zai)流(liu)子(zi)渡(du)越(yue)晶(jing)片(pian)需(xu)要(yao)一(yi)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)
，所(suo)以(yi)其(qi)電(dian)流(liu)滯(zhi)後(hou)於(yu)電(dian)壓(ya)

，出(chu)現(xian)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)，若(ruo)適(shi)當(dang)地(di)控(kong)製(zhi)渡(du)越(yue)時(shi)間(jian)，那(na)麼(me)，在(zai)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)壓(ya)關(guan)係(xi)上(shang)就(jiu)會(hui)出(chu)現(xian)負(fu)阻(zu)效(xiao)應(ying)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)高(gao)頻(pin)振(zhen)蕩(dang)。它(ta)常(chang)被(bei)應(ying)用(yong)於(yu)微(wei)波(bo)領(ling)域(yu)的(de)振(zhen)蕩(dang)電(dian)路(lu)中(zhong)。

 

工作原理

在材料摻雜濃度較低的PN結中，當PN結(jie)反(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)增(zeng)加(jia)時(shi)，空(kong)間(jian)電(dian)荷(he)區(qu)中(zhong)的(de)電(dian)場(chang)隨(sui)著(zhe)增(zeng)強(qiang)。這(zhe)樣(yang)，通(tong)過(guo)空(kong)間(jian)電(dian)荷(he)區(qu)的(de)電(dian)子(zi)和(he)空(kong)穴(xue)，就(jiu)會(hui)在(zai)電(dian)場(chang)作(zuo)用(yong)下(xia)獲(huo)得(de)的(de)能(neng)量(liang)增(zeng)大(da)，在(zai)晶(jing)體(ti)中(zhong)運(yun)動(dong)的(de)電(dian)子(zi)和(he)空(kong)穴(xue)將(jiang)不(bu)斷(duan)地(di)與(yu)晶(jing)體(ti)原(yuan)子(zi)又(you)發(fa)生(sheng)碰(peng)撞(zhuang)，當(dang)電(dian)子(zi)和(he)空(kong)穴(xue)的(de)能(neng)量(liang)足(zu)夠(gou)大(da)時(shi)
，通(tong)過(guo)這(zhe)樣(yang)的(de)碰(peng)撞(zhuang)的(de)可(ke)使(shi)共(gong)價(jia)鍵(jian)中(zhong)的(de)電(dian)子(zi)激(ji)發(fa)形(xing)成(cheng)自(zi)由(you)電(dian)子(zi)–空穴對。新產生的電子和空穴也向相反的方向運動，重新獲得能量
，又可通過碰撞，再產生電子–空kong穴xue對dui
，這zhe就jiu是shi載zai流liu子zi的de倍bei增zeng效xiao應ying。當dang反fan向xiang電dian壓ya增zeng大da到dao某mou一yi數shu值zhi後hou，載zai流liu子zi的de倍bei增zeng情qing況kuang就jiu像xiang在zai陡dou峻jun的de積ji雪xue山shan坡po上shang發fa生sheng雪xue崩beng一yi樣yang，載zai流liu子zi增zeng加jia得de多duo而er快kuai
，這zhe樣yang，反fan向xiang電dian流liu劇ju增zeng， PN結就發生雪崩擊穿。利用該特點可製作高反壓二極管。下圖是雪崩擊穿的示意圖。

 

 

雪xue崩beng二er極ji管guan是shi一yi種zhong負fu阻zu器qi件jian，特te點dian是shi輸shu出chu功gong率lv大da，但dan噪zao聲sheng也ye很hen大da。主zhu要yao噪zao聲sheng來lai自zi於yu雪xue崩beng噪zao聲sheng
，是shi由you於yu雪xue崩beng倍bei增zeng過guo程cheng中zhong產chan生sheng電dian子zi和he空kong穴xue和he無wu規gui則ze性xing所suo引yin起qi的de
，其qi性xing質zhi和he散san彈dan噪zao聲sheng類lei似si。雪xue崩beng噪zao聲sheng是shi雪xue崩beng二er極ji管guan振zhen蕩dang器qi的de噪zao聲sheng遠yuan高gao於yu其qi它ta振zhen蕩dang器qi的de主zhu要yao原yuan因yin。

 

雪崩二極管如何幫助防止過電壓

 

當IGBT在高性能應用中高速接通和斷開時，總會發生過壓。例如，當關閉負載電流電路時，集電極 - 發射極電壓突然上升，達到非常高的峰值。由開關引起的過電壓會嚴重損壞甚至破壞開關晶體管。

 

常見的過電壓保護方法是“有源鉗位（active clamping）”。在這種情況下
，雪崩二極管用作直接反饋。如果關斷導致電感負載過壓峰值，則由雪崩二極管傳導至IGBT柵極，並且IGBT重新接通。

 

 

上圖顯示了基本原理：當電壓上升時
，二極管被阻斷（A）。在耗盡區中，一個自由電子觸發雪崩的瞬間，電壓突然下降到低於30V的擊穿電壓電平，雪崩二極管立刻擊穿（B）。在重新啟動之前，有時隻能保持雪崩電流在短時間內穩定，並且電壓再次上升（C）。擊穿延遲（D）即兩次擊穿事件之間的時間，是不能預測的。

 

建議將具有改善噪聲性能的雪崩二極管用於有源鉗位過壓保護，因為它們能夠：

 

˙ 在快速上升的反向電壓下，更快擊穿

˙ 在低電流（低於~1mA）時具有更穩定擊穿電壓，因此：

˙ 延長其它器件的壽命，例如 IGBT或Mosfet，結果：

˙ 為變頻器或電機控製器等應用節省成本，因為組件較少需要更換。

 

雪崩二極管的噪聲是如何產生的？

 

雪崩二極管的噪聲來自雪崩的不斷接通和斷開，即電壓峰值的不斷產生及其突然擊穿（見圖）。觸發雪崩擊穿有兩個先決條件：

 

1. 存在足夠的擊穿電壓以產生用於碰撞電離的臨界電場強度。

2. 存在自由電子
，因而形成漏電流。

 

例如
，1.6pA = 1.6 x 10-12A漏電流等於通過阻擋層的電子流速為每秒107電子，這意味著在統計上每100nszhinengchufayicixuebeng。raner
，youyubushimeigedianzidouhuichufaxuebeng
，shijishangchufashijianhuigengchang。yinci
，chufaxuebengjichuandegailvyuxieloudianliuchengbili。huanjuhuashuo：漏電流越大，觸發雪崩擊穿的概率越高或擊穿延遲時間越短（圖中：D）。

 

在(zai)兩(liang)個(ge)衝(chong)擊(ji)漏(lou)電(dian)流(liu)電(dian)子(zi)之(zhi)間(jian)，二(er)極(ji)管(guan)處(chu)的(de)反(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)上(shang)升(sheng)到(dao)高(gao)於(yu)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)電(dian)平(ping)。隻(zhi)有(you)當(dang)下(xia)一(yi)個(ge)衝(chong)擊(ji)電(dian)子(zi)觸(chu)發(fa)雪(xue)崩(beng)時(shi)，二(er)極(ji)管(guan)的(de)電(dian)壓(ya)才(cai)會(hui)突(tu)然(ran)下(xia)降(jiang)到(dao)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)水(shui)平(ping)。

 

如果電壓源提供足夠的電流
，例如 1mA，雪崩擊穿可以通過連續的碰撞電離保持自身運行，從而產生穩定的雪崩電流。

 

但是，如果源電流太低
，例如100μA，低(di)於(yu)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)電(dian)平(ping)的(de)雪(xue)崩(beng)電(dian)壓(ya)突(tu)然(ran)下(xia)降(jiang)，使(shi)得(de)二(er)極(ji)管(guan)放(fang)電(dian)，將(jiang)導(dao)致(zhi)雪(xue)崩(beng)擊(ji)穿(chuan)立(li)即(ji)再(zai)次(ci)停(ting)止(zhi)。這(zhe)時(shi)
，需(xu)要(yao)一(yi)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)來(lai)使(shi)二(er)極(ji)管(guan)和(he)線(xian)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)
，使(shi)低(di)源(yuan)電(dian)流(liu)達(da)到(dao)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)壓(ya)電(dian)平(ping)，然(ran)後(hou)下(xia)一(yi)個(ge)電(dian)子(zi)才(cai)能(neng)觸(chu)發(fa)新(xin)的(de)雪(xue)崩(beng)。這(zhe)種(zhong)雪(xue)崩(beng)的(de)不(bu)斷(duan)接(jie)通(tong)和(he)斷(duan)開(kai)導(dao)致(zhi)雪(xue)崩(beng)二(er)極(ji)管(guan)擊(ji)穿(chuan)的(de)典(dian)型(xing)噪(zao)聲(sheng)。

 

二極管噪聲性能的差異在圖中也可見：圖中顯示了兩個Z二極管（齊納二極管）的擊穿電壓範圍，在100μA的反向電流（IR）下測得的擊穿電壓為30V。其中一個二極管基於標準技術，使用極低的漏電流，另一個則采用“低噪聲技術”。具有“低噪聲技術”的齊納二極管具有更穩健的電壓特性
，優於僅能在短時間內保持恒定雪崩電流的另一個二極管（C）。

 

威世提供采用“低噪聲技術”的Z二極管
，這些新一代產品包括SMF、BZD27、BZG 03、BZG04、 BZG05
、PLZ 和 VTVS係列，由於適度增加漏電流（IR~10nA）而明顯增加了觸發雪崩擊穿的可能性，從而降低了噪聲，並為用戶提供了在低電流（低於~1mA）時更穩定的擊穿電壓以及快速上升反向電壓的更快擊穿。

 

二極管噪聲的更進一步影響因素

 

漏電流隨溫度增加而呈指數上升
，即噪聲隨溫度升高而降低；光還可以釋放二極管耗盡區中的自由電子
，從而降低噪聲水平。這意味著：四周環境越暗越冷，噪音水平越高。