齐纳二极管技术详解：反向击穿、稳压应用与限幅电路
普通半导体二极管在反向偏置时几乎不导通，但在反向电压过高时会发生击穿，可能导致器件永久损坏。齐纳二极管（Zener Diode）则恰恰相反——它被专门设计用来工作在反向击穿区，并利用这一特性来实现稳压、限幅与过压保护。
本文从齐纳二极管的物理特性入手，系统介绍其 I-V 特性、稳压电路、参数计算示例、标准电压系列以及在交流限幅与保护电路中的应用。
1. 齐纳二极管是什么？
齐纳二极管（Zener Diode），也常被称为“击穿二极管（Breakdown Diode）”，在结构上与普通 PN 结二极管类似，但在制造过程中通过特殊的掺杂工艺，使其具有确定且较低的反向击穿电压，这个电压就称为齐纳电压 VZ。
1.1 正向特性：与普通二极管几乎相同
当齐纳二极管处于正向偏置状态（阳极电位高于阴极）时，其行为与普通硅二极管基本一致：
当正向电压 VF 超过约 0.7V（硅管典型值）时，二极管导通；
正向电流大小由外接负载及限流电阻决定；
正向工作时，一般不利用其齐纳特性，因此正向特性通常不是关注重点。
1.2 反向特性：齐纳与击穿
与普通二极管的区别在于反向偏置时：
普通二极管在反向时仅有极小的反向漏电流，直到超过其最大反向耐压后会不可控击穿并损坏。
齐纳二极管则在反向电压达到其设计的击穿电压 VZ 时，进入受控的反向击穿区并稳定导通，而不会损坏（前提是功率在额定范围内）。
在反向电压从 0 升高到 VZ 的过程中，仅有很小的反向漏电流流过；一旦反向电压超过 VZ，耗尽层发生击穿，反向电流迅速上升，但二端电压会被“钳位”在一个近似恒定值附近，这就是齐纳稳压的基础。
2. 齐纳击穿与 I-V 特性
齐纳二极管被设计为在反向击穿区工作，通常采用如下连接方式：
阴极接正电源，阳极接负电源或地
即工作在反向偏置模式。
在其 I-V 特性曲线中：
正向区：与普通二极管类似，VF 约 0.7V 后导通；
反向区：
0 ~ VZ：只有极小反向漏电流；
达到 VZ 左右时：进入击穿区，电流迅速增大；
在一定电流范围内（IZ(min) ~ IZ(max)），二端电压基本维持在 VZ 附近，呈“几乎垂直的线段”。
这一特性意味着：
在反向击穿区（工作区间内），电压基本不变，电流可以在较大范围内变化。
因此，只要工作电流保持在：
最小击穿电流：IZ(min)
最大允许电流：IZ(max)
之间，齐纳二极管就可以作为稳定参考电压源使用。
齐纳击穿电压 VZ 在生产过程中可以被精确控制，误差甚至可做到 1% 以内，例如：
4.3V
7.5V
10V
等等
这使得齐纳二极管非常适合作为精确电压基准或稳压元件。
3. 齐纳二极管稳压器（Zener Diode Regulator）
3.1 基本稳压电路结构
典型的齐纳稳压电路由三部分组成：
输入电压源 VS
串联限流电阻 RS
齐纳二极管与负载 RL 并联
其中：
齐纳二极管阴极接正电源侧，处于反向偏置；
负载 RL 与齐纳并联，因此负载电压等于齐纳电压。
电路关系如下：
输入：VS
输出（亦为齐纳两端电压）：Vout ≈ VZ
串联电阻：RS 用于限制通过齐纳和负载的总电流。
在无负载或轻载情况下，多数电流流过齐纳；在重载时，负载电流增大，齐纳电流自动减小，只要齐纳电流未降到 IZ(min) 以下，输出电压仍可保持在 VZ 附近。
3.2 稳压的工作机理
输入电压 VS 或负载电流变化时，流经 RS 的电流将发生变化；
负载 RL 与齐纳并联：
负载电流变化时，多余或不足的电流由齐纳吸收或释放；
齐纳工作在击穿区时，VZ 近似恒定，因此输出电压保持基本不变。
前提条件：
VS 必须大于 VZ；
RS 必须足够大，使齐纳电流不超过其最大功率；
在最小负载/最大输入电压情况下，齐纳电流不得超过 IZ(max)；
在最大负载/最小输入电压情况下，齐纳电流不得低于 IZ(min)。
3.3 噪声问题及去耦电容
齐纳稳压在调节过程中可能产生电气噪声叠加在 DC 电压上。
一般情况问题不大，但在对噪声敏感的电路中，可以在齐纳两端并联一个较大的去耦电容（如 10uF、47uF 等），实现进一步平滑与滤波。
4. 齐纳稳压实例计算
例 1：
设计一个 5.0V 稳压电源，输入为 12V DC，齐纳二极管功率额定值 PZ = 2W，要求计算：
a) 最大齐纳电流
b) 串联电阻 RS 的最小值
c) 当负载电阻 RL = 1kΩ 时的负载电流 IL
d) 满载时齐纳电流 IZ
4.1 最大齐纳电流
已知：
齐纳电压：VZ = 5.0V
最大功率：PZ = 2W
最大允许齐纳电流：
IZ_max = PZ / VZ IZ_max = 2W / 5V = 0.4A
即齐纳最大反向电流约为 0.4 A。
4.2 串联电阻 RS 的最小值
在最不利情况下（无负载、所有电流都流过齐纳）：
输入电压：VS = 12V
齐纳电压：VZ = 5V
电阻 RS 上的压降：VS - VZ = 12V - 5V = 7V
为了不超过齐纳的最大电流：
RS_min = (VS - VZ) / IZ_max RS_min = 7V / 0.4A = 17.5Ω
工程中会选用略大于 17.5Ω 的标准阻值，例如 18Ω 或 20Ω，以提供安全裕量。
4.3 负载电流 IL（RL = 1kΩ）
负载与齐纳并联，负载电压约等于 VZ：
IL = VZ / RL IL = 5V / 1000Ω = 0.005A = 5mA
4.4 满载时齐纳电流 IZ
假设 RS 取接近 RS_min，例如 RS = 18Ω（方便计算且有裕量）：
总电流：
I_total = (VS - VZ) / RS I_total = 7V / 18Ω ≈ 0.389A
则：
IZ = I_total - IL IZ ≈ 0.389A - 0.005A ≈ 0.384A
此电流仍低于 IZ_max = 0.4A，齐纳在安全范围内工作并可保持稳压。
5. 多级参考电压：齐纳二极管串联组合
除了单个稳压输出外，齐纳二极管还可以串联使用，并配合普通硅二极管产生多个不同的参考电压。
例如：
若串联一个 12V 齐纳和一个 4.7V 齐纳，则总参考电压约为 16.7V；
若再串联一个普通硅二极管正向导通，则额外增加约 0.6~0.7V。
电路设计时只要满足：
输入电压 Vin > 串联组合的最高输出参考电压；
各齐纳电流均保证在其允许范围内。
例如，如果最高参考电压为 19V，则 Vin 必须大于 19V。
6. 标准齐纳电压系列（BZX55 与 BZX85）
通用小功率齐纳二极管中，常见的有：
BZX55 系列：功率 500mW
BZX85 系列：功率 1.3W
其型号通常采用如下命名方式：
例如：BZX55C7V5 → 表示：
系列：BZX55
电压等级：约 7.5V
6.1 BZX55 系列（500mW）标准电压
2.4V 2.7V 3.0V 3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V 5.1V 5.6V 6.2V 6.8V 7.5V 8.2V 9.1V 10V 11V 12V 13V 15V 16V 18V 20V 22V 24V 27V 30V 33V 36V 39V 43V 47V
6.2 BZX85 系列（1.3W）标准电压
3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V 5.1V 5.6V 6.2V 6.8V 7.5V 8.2V 9.1V 10V 11V 12V 13V 15V 16V 18V 20V 22V 24V 27V 30V 33V 36V 39V 43V 47V 51V 56V 62V
这些电压值通常与 E24（5%）电阻系列相对应，便于标准化与库存管理。
7. 齐纳限幅电路（Zener Clipping Circuits）
前面讨论的主要是齐纳在直流稳压中的应用；那么若输入为交流 AC 波形时，齐纳将表现为一种限幅/削波器件，可用于波形整形和电路保护。
7.1 削波（Clipper）基本概念
削波电路的作用是：
限制输出电压的最大值或最小值；
“切掉”输入波形的某一部分，使输出波形的顶部（或底部）变平。
齐纳二极管削波的典型用途：
过压保护
输出波形整形
限制信号幅度
例如：
若希望将波形的正峰值限制在 +7.5V，可使用一个 7.5V 的齐纳二极管。当输出电压试图超过 7.5V 时，齐纳进入击穿导通，将多余电压“截掉”，输出被钳位在约 +7.5V。
7.2 正负向削波行为
需要注意的是：
在正向偏置时，齐纳仍然是普通二极管，当电压小于约 -0.7V 时，处于正向导通状态；
因此，在单管削波中：
正向可能被限制在约 -0.7V
反向被限制在约 +VZ
这使得齐纳在 AC 环境下既能利用其反向齐纳效应，又会在正向像普通二极管那样参与削波。
8. 反向串联齐纳：简易方波与对称限幅
将两只齐纳二极管**反向串联（背靠背）**连接到交流信号上，可以得到一种对称削波结构，有时被戏称为“穷人的方波发生器”。
以 7.5V 齐纳为例：
正向方向：约 +7.5V 附近进入齐纳击穿
相反方向：另一只管在其正向约 0.7V 导通
因此：
波形大致被限制在 +8.2V 和 -8.2V 之间（7.5V + 0.7V）
得到近似的对称削波波形，接近方波的上、下限。
如果使用两只不同电压的齐纳，例如希望削波在 +8V 和 -6V：
正向方向：齐纳 8V + 正向 0.7V ≈ +8.7V
反向方向：齐纳 6V + 正向 0.7V ≈ -6.7V
因此：
实际削波范围约为 +8.7V 到 -6.7V
总峰峰值约为 15.4V，而非名义上的 14V（多出的 0.7V + 0.7V 来自正向压降）。
这种结构常用于：
保护电路输入端口不被高压损坏
限制模拟信号最大幅度
简易波形整形与“伪方波”产生
在正常工作电压范围内，齐纳处于截止状态，对电路影响极小；一旦输入超过设定限值，齐纳导通削峰，从而实现保护。
9. 小结与展望：从齐纳到发光二极管
本文围绕齐纳二极管，完整讨论了以下内容：
齐纳与普通二极管的区别：工作在反向击穿区
I-V 特性与关键参数：VZ、IZ(min)、IZ(max)
齐纳稳压电路结构与工作机理
限流电阻 RS 与齐纳功率的关系
详细算例：12V 输入 → 5V / 2W 齐纳稳压设计
齐纳串联产生多级参考电压
标准电压系列：BZX55（500mW）、BZX85（1.3W）
齐纳在 AC 下的削波、限幅与对称削峰应用
在后续的二极管应用中，还有一种器件也大量利用 PN 结特性，但不是利用击穿，而是利用载流子复合产生的光子——这就是发光二极管（LED, Light Emitting Diode）。
当电流正向通过 PN 结时：
电子与空穴在结区复合
部分能量以热形式释放
部分能量则以光子的形式释放
如果在 PN 结外包覆透明或半透明封装，这些光子就可以被我们看到，于是二极管本身成为一个光源。通过选择不同的材料与结构，可以得到不同颜色、不同波长的发光器件，这就是后续将要介绍的LED 技术。
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