電子設計基礎（四）：二極管

　　4 特殊二極管

　　穩壓管的雜質(zhì)濃度較大，空間電荷區很窄，容易形成強電場(chǎng)。產(chǎn)生反向擊穿時(shí)反向電流急增，如圖b的特性所示。穩壓管的穩壓作用在于，電流增量很大，只引起很小的電壓變化。

　　在穩壓管穩壓電路中一般都加限流電阻R，使穩壓管電流工作在IZmax和IZmix的范圍。

　　齊納二極管又稱(chēng)穩壓管，是一種用特殊工藝制造的面結型硅半導體二極管，其代表符號如圖a所示。前已提及，這種管子的雜質(zhì)濃度比較大，空間電荷區內的電荷密度也大，因而該區域很窄，容易形成強電場(chǎng)。當反向電壓加到某一定值時(shí)，反向電流急增，產(chǎn)生反向擊穿，如圖b的特性所示。圖中的VZ表示反向擊穿電壓，即穩壓管的穩定電壓。穩壓管的穩壓作用在于，電流增量DIZ很大，只引起很小的電壓變化DVZ。曲線(xiàn)愈陡，動(dòng)態(tài)電阻rz=DVZ/DIZ愈小，穩壓管的穩壓性能愈好。一般地說(shuō)，VZ為8V左右的穩壓管的動(dòng)態(tài)電阻較小，低于這個(gè)電壓的，rZ隨齊納電壓的下降迅速增加，因而低壓穩壓管的穩壓性能較差。穩壓管的穩定電壓VZ，低的為3V，高的可達300V，它的正向壓降約為0.6V。

　　在穩壓管穩壓電路中一般都加限流電阻R，使穩壓管電流工作在IZmax和IZmix的范圍。穩壓管在應用中要采取適當的措施限制通過(guò)管子的電流，以保證管子不會(huì )因過(guò)熱而燒壞。

　　4.1 并聯(lián)式穩壓電路

　　穩壓電路如圖所示。該電路能夠穩定輸出電壓，當V1或RL變化時(shí)，電路能自動(dòng)地調整IZ的大小，以改變R上的壓降IRR，達到使輸出電壓V0(VZ)基本恒定的目的。例如，當VI恒定而RL減小時(shí)，將產(chǎn)生如下的自動(dòng)調整過(guò)程：

　　RL¯®IO­®IR­®VO¯®IZ¯®IR¯

　　VO­

　　VO能基本維持恒定。

　　穩壓管在直流穩壓電源中獲得廣泛的應用。穩壓電路如圖所示。圖中DZ為穩壓管，R為限流電阻的作用是使電路有一個(gè)合適的工作狀態(tài)。因負載RL與穩壓管兩端并接，故稱(chēng)為并聯(lián)式穩壓電路。

　　該電路之所以能夠穩定輸出電壓，在于當穩定電流IZ有較大幅度的變化DIZ時(shí)，而穩定電壓的變化DVZ卻很小。這樣，當V1或RL變化時(shí)，電路能自動(dòng)地調整IZ的大小，以改變R上的壓降IRR，達到維持輸出電壓V0(VZ)基本恒定的目的。例如，當VI恒定而RL減小時(shí)，將產(chǎn)生如下的自動(dòng)調整過(guò)程：

　　RL¯®IO­®IR­®VO¯®IZ¯®IR¯

　　VO­

　　可見(jiàn)VO能基本維持恒定。同理，亦可分析當RL增大時(shí)，亦可得出Vo基本維持恒定的結論。

　　二極管結電容的大小除了與本身結構和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。結電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應顯著(zhù)的二極管稱(chēng)為變容二極管。

　　圖a為變容二極管的代表符號，圖b是變容二極管的特性曲線(xiàn)。不同型號的管子，其電容最大值可能是5~300pF。最大電容與最小電容之比約為5:1。變容二極管在高頻技術(shù)中應用較多。

　　三、二極管的應用

　　1、整流二極管利用二極管單向導電性，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈沖直流電。

　　2、開(kāi)關(guān)元件二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導通狀態(tài)，相當于一只接通的開(kāi)關(guān);在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止狀態(tài)，如同一只斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。利用二極管的開(kāi)關(guān)特性，可以組成各種邏輯電路。

　　3、限幅元件二極管正向導通后，它的正向壓降基本保持不變(硅管為0.7V，鍺管為0.3V)。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定范圍內。

　　4、繼流二極管在開(kāi)關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負載中起繼流作用。

　　5、檢波二極管在收音機中起檢波作用。

　　6、變容二極管使用于電視機的高頻頭中。

　　7、顯示元件用于VCD、DVD、計算器等顯示器上。

　　8、穩壓二極管反向擊穿電壓恒定，且擊穿后可恢復，利用這一特性可以實(shí)現穩壓電路。

　　四、二極管的類(lèi)型

　　二極管種類(lèi)有很多，按照所用的半導體材料，可分為鍺二極管(Ge管)和硅二極管(Si管)。根據其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩壓二極管、開(kāi)關(guān)二極管、隔離二極管、肖特基二極管、發(fā)光二極管、硅功率開(kāi)關(guān)二極管、旋轉二極管等。按照管芯結構，又可分為點(diǎn)接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點(diǎn)接觸型二極管是用一根很細的金屬絲壓在光潔的半導體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地燒結在一起，形成一個(gè)“PN結”。由于是點(diǎn)接觸，只允許通過(guò)較小的電流(不超過(guò)幾十毫安)，適用于高頻小電流電路，如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN結”面積較大，允許通過(guò)較大的電流(幾安到幾十安)，主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過(guò)較大的電流，而且性能穩定可靠，多用于開(kāi)關(guān)、脈沖及高頻電路中。

　　貼片二極管

　　1 根據構造分類(lèi)

　　半導體二極管主要是依靠PN結而工作的。與PN結不可分割的點(diǎn)接觸型和肖特基型，也被列入一般的二極管的范圍內。包括這兩種型號在內，根據PN結構造面的特點(diǎn)，把晶體二極管分類(lèi)如下：

　　點(diǎn)接觸型二極管

　　點(diǎn)接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針后，再通過(guò)電流法而形成的。因此，其PN結的靜電容量小，適用于高頻電路。但是，與面結型相比較，點(diǎn)接觸型二極管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大電流和整流。因為構造簡(jiǎn)單，所以?xún)r(jià)格便宜。對于小信號的檢波、整流、調制、混頻和限幅等一般用途而言，它是應用范圍較廣的類(lèi)型。

　　鍵型二極管

　　鍵型二極管是在鍺或硅的單晶片上熔接或銀的細絲而形成的。其特性介于點(diǎn)接觸型二極管和合金型二極管之間。與點(diǎn)接觸型相比較，雖然鍵型二極管的PN結電容量稍有增加，但正向特性特別優(yōu)良。多作開(kāi)關(guān)用，有時(shí)也被應用于檢波和電源整流(不大于50mA)。在鍵型二極管中，熔接金絲的二極管有時(shí)被稱(chēng)金鍵型，熔接銀絲的二極管有時(shí)被稱(chēng)為銀鍵型。

　　合金型二極管

　　在N型鍺或硅的單晶片上，通過(guò)合金銦、鋁等金屬的方法制作PN結而形成的。正向電壓降小，適于大電流整流。因其PN結反向時(shí)靜電容量大，所以不適于高頻檢波和高頻整流。

　　擴散型二極管

　　在高溫的P型雜質(zhì)氣體中，加熱N型鍺或硅的單晶片，使單晶片表面的一部變成P型，以此法PN結。因PN結正向電壓降小，適用于大電流整流。最近，使用大電流整流器的主流已由硅合金型轉移到硅擴散型。

　　臺面型二極管

　　PN結的制作方法雖然與擴散型相同，但是，只保留PN結及其必要的部分，把不必要的部分用藥品腐蝕掉。其剩余的部分便呈現出臺面形，因而得名。初期生產(chǎn)的臺面型，是對半導體材料使用擴散法而制成的。因此，又把這種臺面型稱(chēng)為擴散臺面型。對于這一類(lèi)型來(lái)說(shuō)，似乎大電流整流用的產(chǎn)品型號很少，而小電流開(kāi)關(guān)用的產(chǎn)品型號卻很多。

　　平面型二極管

　　在半導體單晶片(主要地是N型硅單晶片)上，擴散P型雜質(zhì)，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅單晶片上僅選擇性地擴散一部分而形成的PN結。因此，不需要為調整PN結面積的藥品腐蝕作用。由于半導體表面被制作得平整，故而得名。并且，PN結合的表面，因被氧化膜覆蓋，所以公認為是穩定性好和壽命長(cháng)的類(lèi)型。最初，對于被使用的半導體材料是采用外延法形成的，故又把平面型稱(chēng)為外延平面型。對平面型二極管而言，似乎使用于大電流整流用的型號很少，而作小電流開(kāi)關(guān)用的型號則很多。

　　合金擴散型二極管

　　它是合金型的一種。合金材料是容易被擴散的材料。把難以制作的材料通過(guò)巧妙地摻配雜質(zhì)，就能與合金一起過(guò)擴散，以便在已經(jīng)形成的PN結中獲得雜質(zhì)的恰當的濃度分布。此法適用于制造高靈敏度的變容二極管。

　　外延型二極管

　　用外延面長(cháng)的過(guò)程制造PN結而形成的二極管。制造時(shí)需要非常高超的技術(shù)。因能隨意地控制雜質(zhì)的不同濃度的分布，故適宜于制造高靈敏度的變容二極管。