Zener diode的研究

ωωωω

长久以来，大家使用的中高端电压基准器件几乎都是Linear公司生产的LM399或LTZ1000，但是其价格并不便宜。为了寻找更易于获得的电压基准，前些时间我尝试制作了"带隙基准"，短稳噪声可以满意，但发觉达到10ppm/year的稳定度并非易事，至少受限于其所必需的电阻的性能。因此转变研究方向，最近一段时间，研究了经典的"齐纳二极管"的性能。————
关于它的理论，目前找到写的最详细的是Nexperia公司的AN90031手册，网上很容易搜索到，我在这里也放一份。里面有关于不同稳压值二极管温度系数的曲线，比较详细。


再摘抄一段中文的理论：

温度系数(α)

如果稳压二极管的温度变化，它的稳定电压也会发生微小变化，温度变化1℃所引起管子两端电压的相对变化量即是温度系数(单位：﹪/℃)。

一般说来稳压值低于6V属于齐纳击穿，温度系数是负的;高于6V的属雪崩击穿，温度系数是正的。温度升高时，耗尽层减小，耗尽层中，原子的价电子上升到较高的能量，较小的电场强度就可以把价电子从原子中激发出来产生齐纳击穿，因此它的温度系数是负的。雪崩击穿发生在耗尽层较宽电场强度较低时，温度增加使晶格原子振动幅度加大，阻碍了载流子的运动。这种情况下，只有增加反向电压，才能发生雪崩击穿，因此雪崩击穿的电压温度系数是正的。

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根据实测，其电压随温度的曲线是抛物线，开口向下。通过二极管的电流越大，抛物线的顶点越靠右。在抛物线的顶点附近，温度系数近似为零。
通过调整与之串联的限流电阻，来调整电流，我把我这几个二极管的零温度系数点调整到了室温附近，进行了一些测量。目前测了将近一个月，基本没发现它们的老化现象。
今天测量了它们的短稳噪声，我的万用表配置为100PLC，测量100次，因此总时间跨度为3分20秒。每个样品测量几次，留下3条最稳定的曲线进行绘制。
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先看2DW231，只使用其中一颗稳压管，此样品通过0.276mA电流的时候在室温附近获得零温度系数。可以看到噪声很小，100PLC下标准差约0.4uV，耗电量也很低。注意：所有图片上的标准差都写错了，比真实值大了10倍。

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然后看3元买500个的5.6V直插玻璃稳压管，我从中挑选了几颗，这颗电流0.04mA，非常非常省电。标准差0.6uV左右，我觉得很不错。

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这颗和上面的一样，5.6V，但是电流0.034mA，稍低一些，但噪声大了很多，标准差0.9uV左右，不如上面的，不过也还行吧。

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这颗是5.1V的贴片管子，电流1.484mA获得零温度系数，标准差0.5uV，被2DW23X吊打。

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这颗是LM399，合适的PCB画了还没到，先凑合用，这样焊接可能引脚那里有点热电势。
测量时开启加热器，通过1k电阻连接稳定的10V，因此LM399通过3mA电流。
标准差0.7uV左右，感觉一般。

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这是该LM399的10分钟预热曲线，1分钟初步稳定，3分钟可以比较好的稳定。

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后面有更新，我会发在这个帖子里

石墨

楼主用什么测的
   
仪表出来露个脸

人艰不拆了

把抛物线画一下啊，没看明白啊

天使的魔翼

石墨 发表于 2024-3-4 17:04
楼主用什么测的
   
仪表出来露个脸

FLUKE8588，最新款八位半大杀器。

ωωωω

石墨 发表于 2024-3-4 17:04
楼主用什么测的
   
仪表出来露个脸

8558A，不露了之前露过好多次了

ωωωω

人艰不拆了 发表于 2024-3-4 17:18
把抛物线画一下啊，没看明白啊

借用科创网

研究黑魔法的生菜

的图，感谢

dayibalang

要研究齐纳基准，离不开半导体工艺。否则搞不出低噪声低温漂的成品。

人艰不拆了

ωωωω 发表于 2024-3-4 17:32
借用科创网研究黑魔法的生菜 的图，感谢

ωωωω

人艰不拆了 发表于 2024-3-4 19:27

对的，是这个意思。
如果不做恒温，并且仪表工作时温升大，那么就选这条线，顶点30度。
如果条件更好一点，可以选择更低的电流让顶点在25度左右。

shiyutong

这种特便宜的小稳压二极管我做过简单的实验，发现电流越大，工作环境温度影响越大，要么工作温度和环境温度拉开很大的距离，然后再给它做个罩子，减小流动空气的影响，也还行。

人艰不拆了

ωωωω 发表于 2024-3-4 20:36
对的，是这个意思。
如果不做恒温，并且仪表工作时温升大，那么就选这条线，顶点30度。
如果条件更好一点 ...

你是怎么实现不同温度测试曲线的，随着室温变化电压表实时记录？还是有温度调节设备？

ωωωω

人艰不拆了 发表于 2024-3-5 08:31
你是怎么实现不同温度测试曲线的，随着室温变化电压表实时记录？还是有温度调节设备？ ...

我就是拿手指摸一下，因为我的表可以分辨1uV，所以两三度的温升就够看出温漂了。
主要是现在电阻串并联不能凑出太准确的阻值，温漂最终还要受限于凑电阻的准确度

人艰不拆了

ωωωω 发表于 2024-3-5 09:09
我就是拿手指摸一下，因为我的表可以分辨1uV，所以两三度的温升就够看出温漂了。
主要是现在电阻串并联不 ...

我是说图标里显示的温度与电压对应曲线是怎么测量的？

ωωωω

人艰不拆了 发表于 2024-3-5 09:16
我是说图标里显示的温度与电压对应曲线是怎么测量的？

那个不是我的图，网上搜到的。
他用的是一个自己写的程序，同时获取电压和温度数据，温度计和基准一起放加热箱里面。然后自动把数据绘制成图。
https://www.kechuang.org/t/89064

人艰不拆了

ωωωω 发表于 2024-3-5 09:22
那个不是我的图，网上搜到的。
他用的是一个自己写的程序，同时获取电压和温度数据，温度计和基准一起放 ...

哦，原来如此

wgsd

2DW23X的底噪比LTZ1000小很多，最大的缺欠是无地洞的老化，电压天天都在下降。

ωωωω

wgsd 发表于 2024-3-5 10:12
2DW23X的底噪比LTZ1000小很多，最大的缺欠是无地洞的老化，电压天天都在下降。 ...

我的231做好半个月了，因为限流电阻凑得不太准确的缘故，在我的室温（21~24度）范围有一点负漂，1~2ppm/℃的样子，不过输出电压和温度计数据吻合的还算满意，温漂造成的误差不太大。
目前倒是没看出来它老化，老化基本被超低频噪声淹没的感觉。可能是我工作电流只设定在0.276mA的缘故，或者是观察时间还不太够。
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请问你了解为什么这种电压基准是用两个反向连接的稳压管制造的吗，是单纯为了提高一些电压，还是因为这样做，在同等硅片面积下(以及单颗稳压管同等击穿电压下），零漂点可以通过更大的电流而获得更低的噪声，还是因为抛物线的形状更平缓呢？谢谢

dayibalang

ωωωω 发表于 2024-3-5 11:02
我的231做好半个月了，因为限流电阻凑得不太准确的缘故，在我的室温（21~24度）范围有一点负漂，1~2ppm/ ...

2dw大电流下更平缓，否则0漂点的温度范围很窄

wgsd

ωωωω 发表于 2024-3-5 11:02
我的231做好半个月了，因为限流电阻凑得不太准确的缘故，在我的室温（21~24度）范围有一点负漂，1~2ppm/ ...

一个是稳压，另一个是温度补偿，所以必须两个串连使用。

ωωωω

dayibalang 发表于 2024-3-5 11:29
2dw大电流下更平缓，否则0漂点的温度范围很窄

这是一个月内随室温变化测的数据点，包含了二极管的老化以及限流电阻随温湿度的变化。
今天进行了统计，效果令人满意，无论是测量温漂的精度还是二极管的老化都满意。当时测的时候其实心里还挺虚的，因为并没有感觉它们特别稳定。
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这是2DW231，使用其中一颗稳压管。
在我的室温范围内，线性拟合-15uV/℃，折合2.8ppm/℃。
零温度系数点在20.5℃附近，有点低了，所以感觉室温附近温漂偏大。

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这是0.034mA那颗稳压管，运气不错，刚好在22.7℃获得零温度系数，从曲线也能明显看到这一点。
如果要拟合成线性，是6.7uv/℃，折合1.2ppm/℃。

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这是0.040mA那颗，23.2℃零温度系数，线性拟合14uV/℃，折合2.6ppm/℃。