雪崩二极管特性和工作原理

二极管是用于构建各种电气和电子电路的两端电气元件，主要两个电极组成，即阳极和阴极。大多数二极管由半导体材料制成，如SI、Ge 等。二极管的主要功能是仅在一个方向上传导电流。其应用包括开关、稳压器、振荡器、整流器、信号混频器等。

目前市场上有不同类型的二极管可供选择，例如齐纳二极管、雪崩二极管、LED、激光器、肖特基二极管等。本文将重点介绍下雪崩二极管特性和工作原理。

雪崩二极管的概念

雪崩二极管是一种设计用于在特定反向偏置电压下经历雪崩击穿的二极管，二极管的结主要用于阻止电流集中，使二极管在击穿时安全。

雪崩二极管用于工作在反向击穿区的半导体器件，这些二极管用作安全阀，用于控制系统压力以保护电气系统免受过剩电压的影响，其符号与齐纳二极管相同。雪崩二极管由阳极和阴极两个端子组成。雪崩二极管符号与普通二极管类似，但垂直条的转弯边缘如下图所示。

通常情况下，雪崩二极管由硅或其他半导体材料制成。雪崩二极管的结构类似于齐纳二极管，除了掺杂水平，因为它与齐纳二极管不同。齐纳二极管是重掺杂的，所以这个二极管的耗尽区宽度非常小。由于该区域，反向击穿发生在该二极管的较低电压下。

此外，雪崩二极管被轻掺杂。因此，雪崩二极管的耗尽层宽度与齐纳二极管相比是非常大的。由于这个大的耗尽区，二极管中的电压较高时会发生反向击穿。该二极管的击穿电压是通过控制制造中的掺杂水平来谨慎定位的。

雪崩二极管的工作原理

普通二极管是只允许一个方向的电流，即正向。然而雪崩二极管允许两个方向的电流。但是，该二极管专门设计用于当电压超过反向偏置条件下的击穿电压时在反向偏置条件下工作。电流意外增强的电压称为击穿电压。

当施加在该二极管上的反向偏置电压超过击穿电压时，将发生结击穿。这种结击穿被称为雪崩击穿。每当向这个二极管施加正向偏置电压时，它就会开始像普通的PN结二极管一样工作，因为它允许电流通过它。

当向雪崩二极管施加反向偏置电压时，P型和N型半导体中的多数电荷载流子会远离PN结。结果，耗尽区的宽度增加。因此，多数载流子将不允许电流，但是少数电荷载流子知道来自外部电压的排斥力。

结果，少数电荷载流子通过移动电流从P型流向N型和从N型流向P型。不过，少数电荷载流子移动的电流非常小。少数电荷载流子通过的小电流称为反向漏电流。如果向其施加反向偏置电压，则进一步增加二极管，少数电荷载流子将获得大量能量并更快地达到更好的速度。

高速自由运动的电子会与原子碰撞，然后将能量转移给价电子。从快速电子中获得足够能量的价电子将与母原子分离并变成自由电子。同样，这些电子被加速。当这些自由电子与其他原子碰撞时，它们会敲掉更多的电子。由于与分子的这种不断碰撞，产生了大量的自由电子或空穴。这些大量的自由电子在二极管中保持过载电流。

这样每当反向电压施加到二极管上时，它就会不断增加。在某一端，发生雪崩击穿和结击穿。此时，电压的微小增加将迅速增加电流。电流的这种意外增加可能会持久地破坏常规结型二极管。不过雪崩二极管可能不会损坏，因为它们经过精心设计，可在雪崩击穿区域发挥作用。

二极管的击穿电压

雪崩二极管的击穿电压取决于掺杂浓度，提高掺杂浓度会降低二极管的击穿电压。

雪崩二极管的应用

雪崩二极管的应用主要表现在以下几个方面。

• 用于保护电路，当反向偏压开始增强时，二极管故意在固定电压下启动雪崩效应。
• 这使得二极管在不伤害自身的情况下开始执行电流，并将极端功率从电路切换到其接地端子。
• 设计人员更多地使用二极管来保护电路免受不需要的电压的影响。
• 用作白噪声发生器。
• 雪崩二极管产生射频噪声，所以通常用作无线电齿轮中的噪声源。例如，经常用作天线分析仪电桥的射频源。
• 用于产生微波频率。

总结

简单来说，雪崩二极管是利用半导体结构中载流子的碰撞电离和渡越时间两种物理效应而产生负阻的电器器件。

PN结有单向导电性，正向电阻小，反向电阻很大。当反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，即反向电击穿。雪崩击穿是PN结反向电压增大到一数值时，载流子倍增就像雪崩一样，增加得多而快。因此，利用这一特性制作的二极管就是雪崩二极管。