静电放电、开关负载或附近闪电引起的电压尖峰都可能损坏电路。雪崩二极管通过在反向击穿中安全工作，并在电压达到击穿水平时夹紧，从而防止这种情况。本文详细解释了雪崩的分解、内部结构、齐纳比较、规格、主要类型、用途、选择及常见故障。
雪崩二极管基础
雪崩二极管是一种PN结二极管，设计用于在反向击穿模式下安全工作。当反向电压达到额定击穿电压（VBR）时，二极管突然导通较大的反向电流。与可能在击穿时损坏的标准二极管不同，雪崩二极管设计时能够安全地处理这种行为，前提是电流和功率保持在额定范围内。
雪崩二极管广泛用于在暴露于瞬态尖峰值（如静电静电事件、感应开关浪涌和闪电诱导扰动）的电路中进行浪涌保护和电压钳制。
雪崩二极管中的雪崩击穿
当反向偏置二极管在其耗尽区经历强电场时，就会发生雪崩击穿。该场加速自由载流子，直到它们与晶格中的原子碰撞，释放出额外的电子和空穴。这些新载流子还会加速和碰撞，形成被称为撞击电离的链式反应。
因此，二极管电流迅速上升，而电压几乎保持恒定，使器件能够夹持过剩电压。雪崩二极管设计使击穿均匀分布于结内，以减少过热并防止局部损伤。
雪崩二极管的内部结构
• 基于硅芯片，带有设计用于反向电压工作的PN结。
• 结被轻度掺杂，因此当反向偏置时，空区（耗尽区）变得宽。
• 宽大的耗尽区允许二极管在高电压下进入雪崩击穿，而非在低电压时使用齐纳击穿。
• 结的边缘经过塑形和处理，使电场保持均匀，不形成尖锐的高场斑点。
• 芯片安装在承载电流的导线框架或焊盘上，帮助在浪涌条件下去除热量。
• 雪崩二极管密封于与其功率水平和工作环境相匹配的玻璃、塑料或金属封装中。
雪崩二极管与齐纳二极管比较
| 特色 | 雪崩二极管 | 齐纳二极管 |
|---|---|---|
| 主要的崩溃效应 | 由撞击电离引起的雪崩效应 | 由隧穿引起的齐纳效应 |
| 兴奋剂水平 | 轻掺杂PN结 | 重掺杂的PN结 |
| 耗尽区 | 宽的耗尽区 | 薄耗尽区 |
| 典型电压范围 | 通常用于约6–8 V | 在约6–8 V |
| 温度行为 | 击穿电压通常随温度增加而增加。击穿电压通常随温度下降 | |
| 主要用途 | 浪涌和尖峰保护，电压钳位 | 低压调节与电压参考 |
| 能量处理 | 能在短时间内承受更高的浪涌能量 | 相比雪崩类型，处理的能量更低 |
雪崩二极管的电气规格
| 参数 | 含义 | 重要性 |
|---|---|---|
| 击穿电压（VBR） | 雪崩起点的反向电压 | 设定二极管开始强导通的点 |
| 夹紧电压（VCL） | 在给定电流下浪涌期间的电压 | 显示线在尖峰期间可以上升到多高 |
| 峰值脉冲电流（IPP） | 在所述脉冲形状下的最高浪涌电流 | 必须高于电路中最严重的浪涌 |
| 峰值脉冲功率（P） | 短脉冲下的最高浪涌功率 | 帮助选择能够承受浪涌能量的二极管 |
| 反向泄漏（IR） | 击穿下方的小反向电流 | 影响小的待机损耗和泄漏路径 |
| 结电容（CJ） | 反向偏压时的电容 | 对于高速和射频信号线非常重要 |
| 响应时间 | 是时候开始夹紧快速瞬态 | 对于静电和非常尖锐的电压尖峰很重要 |
雪崩二极管类型及其用途
TVS（瞬态电压抑制）二极管
TVS二极管是用于浪涌和静电放电保护的最常见雪崩二极管。它们能迅速钳制电压尖峰，以保护电力和信号线上的敏感元件。
高功率雪崩整流二极管
这些整流二极管设计用于在反向应力下的受控雪崩中存活，正确使用时能抵御电力电子的开关尖峰。
IMPATT微波雪崩二极管
IMPATT二极管利用雪崩击穿加上传输时间效应，在专用射频系统中产生微波频率振荡。
噪声雪崩二极管
这些电噪声在雪崩击穿中被有意偏置，以产生稳定的宽带电噪声，用于测试和随机信号生成。
雪崩光电二极管（APD）
APD利用雪崩乘法放大光产生的电流，提高低光检测应用中的灵敏度。
雪崩二极管浪涌保护
在浪涌保护电路中，雪崩二极管通常被称为TVS（瞬态电压抑制器）二极管。它们通常在线路与地线之间反向连接，或在线路与电源电压之间连接。正常工作时，线路电压低于击穿水平，因此雪崩二极管只有极小的漏电流。
当浪涌或尖峰将线路电压推高于击穿电压时，雪崩二极管进入击穿状态并开始强导通。该动作钳位电压，将浪涌电流从敏感部件引导至接地方向。一旦尖峰结束，电压降回击穿水平以下，雪崩二极管停止导电，恢复正常非导电状态。
射频和微波信号中的雪崩二极管
有些雪崩二极管是专门为射频和微波电路设计的。在IMPATT二极管等器件中，雪崩击穿以及载流子通过耗尽区所需的时间会产生延迟。这种延迟会导致相位偏移，在高频下看起来像负电阻。
当这种类型的雪崩二极管放置在调谐电路或谐振腔中时，负电阻可以维持高频振荡，甚至达到微波范围。这些二极管被用于雷达模块、本地振荡器级以及一些测试仪器。它们可能相当吵闹，因此必须对其进行偏置和精心冷却，以保持稳定并保持安全范围。
雪崩二极管作为噪声源
• 当雪崩二极管在雪崩区域偏置时，会产生撞击电离产生的随机电流脉冲。
• 这些众多小脉冲组合成覆盖广泛频率范围的宽带噪声信号。
• 这种噪声可以被放大，并用作接收机、滤波器及其他电路的测试信号。
• 它还可以作为硬件随机数生成器中的熵源。
• 偏置电压和电流必须被精确控制，以确保二极管保持在稳定的雪崩区内，避免过热。
使用雪崩二极管作用的雪崩光电二极管
雪崩光电二极管（APD）是一种光传感器，利用雪崩击穿技术在内部放大光电流。当光子撞击活性区域时，会产生电子-空穴对。由于APD在击穿附近偏置，这些载流子加速并触发撞击电离，使输出电流倍增。这种内部增益使得APD在以下环境中检测弱光信号非常有用：
• 光纤通信
• 激光雷达与距离感测
• 医学影像与光度测量
为了保持稳定性，APD需要偏置控制和温度补偿，因为击穿电压会随温度变化。
针对不同电路需求的雪崩二极管选择
| 设计需求 | 焦点 | 参数 |
|---|---|---|
| 直流电力线保护 | 在保持正常电压正常的同时，钳位浪涌 | VBR 与普通电压，VCL、IPP、PPP |
| 高速数据线静电 | 动作非常快且电容低 | 低CJ，响应快速，静电等级 |
| 电缆的高能浪涌 | 处理非常大的浪涌能量 | 高PPP / 能耗等级、IPP、封装 |
| 射频噪声源 | 雪崩中强烈而稳定的噪音 | 稳定击穿区域，偏置范围 |
| APD / SPAD光感应 | 高增益低暗电流 | 增益与偏置、暗电流、温度行为 |
雪崩二极管可靠性及常见故障
热过载
超过额定的一次浪涌就可能使结过热，永久损坏二极管。
长期累积压力
反复出现较小的瞬态可以逐渐改变击穿电压或提高漏电流。
当前拥堵与热点
PCB布局不当或二极管选择不当可能导致导通不均，增加故障风险。
环境压力
潮湿、振动和热循环会破坏包装质量，导致完整性问题。
长寿的良好实践
为了提高可靠性，它有助于降低浪涌电流和能量，利用足够的铜面积进行散热，并在安装和选择雪崩二极管时遵守限制和浪涌标准。
结论
雪崩二极管通过在设定击穿电压下进入受控反向击穿来夹住电压尖峰。基本因素包括击穿电压、钳位电压、峰值脉冲电流和功率、漏电流、电容和响应时间。类型包括TVS、雪崩整流器、IMPATT、噪声二极管和光电二极管。可靠性取决于热量、反复应力、布局和环境。
常见问题解答 [常见问题解答]
雪崩二极管的浪涌波形等级是多少？
检查二极管额定脉冲波形（例如：8/20微秒或10/1000微秒），确保与浪涌源匹配。
单向和双向TVS二极管有什么区别？
直流线路是单向的。双向信号最适合双向摆动的交流线路或信号。
TVS雪崩二极管中的VRWM是什么意思？
VRWM是二极管连续承受的最大电压，且不开机。
为什么高速信号保护需要低电容？
高电容会干扰快速信号。低电容TVS二极管保护线路，但不会减速。
我应该把雪崩二极管放在PCB的哪个位置？
尽量靠近连接器或浪涌入口点，并保持短而直接的接地路径。
我怎么知道雪崩二极管是否受损？
迹象包括泄漏较多、正常运行时发热，或浪涌时夹紧力减弱。