電子設計基礎（四）：二極管

　　肖特基二極管

　　基本原理是：在金屬(例如鉛)和半導體(N型硅片)的接觸面上，用已形成的肖特基來(lái)阻擋反向電壓。肖特基與PN結的整流作用原理有根本性的差異。其耐壓程度只有40V左右。其特長(cháng)是：開(kāi)關(guān)速度非?？欤悍聪蚧謴蜁r(shí)間trr特別地短。因此，能制作開(kāi)關(guān)二極和低壓大電流整流二極管。

　　2 根據用途分類(lèi)

　　1、檢波用二極管就原理而言，從輸入信號中取出調制信號是檢波，以整流電流的大小(100mA)作為界線(xiàn)通常把輸出電流小于100mA的叫檢波。鍺材料點(diǎn)接觸型、工作頻率可達400MHz，正向壓降小，結電容小，檢波效率高，頻率特性好，為2AP型。類(lèi)似點(diǎn)觸型那樣檢波用的二極管，除用于檢波外，還能夠用于限幅、削波、調制、混頻、開(kāi)關(guān)等電路。也有為調頻檢波專(zhuān)用的特性一致性好的兩只二極管組合件。

　　2、整流用二極管就原理而言，從輸入交流中得到輸出的直流是整流。以整流電流的大小(100mA)作為界線(xiàn)通常把輸出電流大于100mA的叫整流。面結型，工作頻率小于KHz，最高反向電壓從25伏至3000伏分A～X共22檔。分類(lèi)如下：①硅半導體整流二極管2CZ型、②硅橋式整流器QL型、③用于電視機高壓硅堆工作頻率近100KHz的2CLG型。

　　內部結構

　　3、限幅用二極管大多數二極管能作為限幅使用。也有象保護儀表用和高頻齊納管那樣的專(zhuān)用限幅二極管。為了使這些二極管具有特別強的限制尖銳振幅的作用，通常使用硅材料制造的二極管。也有這樣的組件出售：依據限制電壓需要，把若干個(gè)必要的整流二極管串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)整體。

　　4、調制用二極管通常指的是環(huán)形調制專(zhuān)用的二極管。就是正向特性一致性好的四個(gè)二極管的組合件。即使其它變容二極管也有調制用途，但它們通常是直接作為調頻用。

　　5、混頻用二極管使用二極管混頻方式時(shí)，在500～10，000Hz的頻率范圍內，多采用肖特基型和點(diǎn)接觸型二極管。

　　6、放大用二極管用二極管放大，大致有依靠隧道二極管和體效應二極管那樣的負阻性器件的放大，以及用變容二極管的參量放大。因此，放大用二極管通常是指隧道二極管、體效應二極管和變容二極管。

　　7、開(kāi)關(guān)用二極管有在小電流下(10mA程度)使用的邏輯運算和在數百毫安下使用的磁芯激勵用開(kāi)關(guān)二極管。小電流的開(kāi)關(guān)二極管通常有點(diǎn)接觸型和鍵型等二極管，也有在高溫下還可能工作的硅擴散型、臺面型和平面型二極管。開(kāi)關(guān)二極管的特長(cháng)是開(kāi)關(guān)速度快。而肖特基型二極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間特短，因而是理想的開(kāi)關(guān)二極管。2AK型點(diǎn)接觸為中速開(kāi)關(guān)電路用;2CK型平面接觸為高速開(kāi)關(guān)電路用;用于開(kāi)關(guān)、限幅、鉗位或檢波等電路;肖特基(SBD)硅大電流開(kāi)關(guān)，正向壓降小，速度快、效率高。

　　8、變容二極管用于自動(dòng)頻率控制(AFC)和調諧用的小功率二極管稱(chēng)變容二極管。日本廠(chǎng)商方面也有其它許多叫法。通過(guò)施加反向電壓， 使其PN結的靜電容量發(fā)生變化。因此，被使用于自動(dòng)頻率控制、掃描振蕩、調頻和調諧等用途。通常，雖然是采用硅的擴散型二極管，但是也可采用合金擴散型、外延結合型、雙重擴散型等特殊制作的二極管，因為這些二極管對于電壓而言，其靜電容量的變化率特別大。結電容隨反向電壓VR變化，取代可變電容，用作調諧回路、振蕩電路、鎖相環(huán)路，常用于電視機高頻頭的頻道轉換和調諧電路，多以硅材料制作。

　　9、頻率倍增用二極管對二極管的頻率倍增作用而言，有依靠變容二極管的頻率倍增和依靠階躍(即急變)二極管的頻率倍增。頻率倍增用的變容二極管稱(chēng)為可變電抗器，可變電抗器雖然和自動(dòng)頻率控制用的變容二極管的工作原理相同，但電抗器的構造卻能承受大功率。階躍二極管又被稱(chēng)為階躍恢復二極管，從導通切換到關(guān)閉時(shí)的反向恢復時(shí)間trr短，因此，其特長(cháng)是急速地變成關(guān)閉的轉移時(shí)間顯著(zhù)地短。如果對階躍二極管施加正弦波，那么，因tt(轉移時(shí)間)短，所以輸出波形急驟地被夾斷，故能產(chǎn)生很多高頻諧波。

　　10、穩壓二極管是代替穩壓電子二極管的產(chǎn)品。被制作成為硅的擴散型或合金型。是反向擊穿特性曲線(xiàn)急驟變化的二極管。作為控制電壓和標準電壓使用而制作的。二極管工作時(shí)的端電壓(又稱(chēng)齊納電壓)從3V左右到150V，按每隔10%，能劃分成許多等級。在功率方面，也有從200mW至100W以上的產(chǎn)品。工作在反向擊穿狀態(tài)，硅材料制作，動(dòng)態(tài)電阻RZ很小，一般為2CW型;將兩個(gè)互補二極管反向串接以減少溫度系數則為2DW型。

　　11、PIN型二極管(PIN Diode)這是在P區和N區之間夾一層本征半導體(或低濃度雜質(zhì)的半導體)構造的晶體二極管。PIN中的I是“本征”意義的英文略語(yǔ)。當其工作頻率超過(guò)100MHz時(shí)，由于少數載流子的存貯效應和“本征”層中的渡越時(shí)間效應，其二極管失去整流作用而變成阻抗元件，并且，其阻抗值隨偏置電壓而改變。在零偏置或直流反向偏置時(shí)，“本征”區的阻抗很高;在直流正向偏置時(shí)，由于載流子注入“本征”區，而使“本征”區呈現出低阻抗狀態(tài)。因此，可以把PIN二極管作為可變阻抗元件使用。它常被應用于高頻開(kāi)關(guān)(即微波開(kāi)關(guān))、移相、調制、限幅等電路中。

　　12、 雪崩二極管 (Avalanche Diode)它是在外加電壓作用下可以產(chǎn)生高頻振蕩的晶體管。產(chǎn)生高頻振蕩的工作原理是欒的：利用雪崩擊穿對晶體注入載流子，因載流子渡越晶片需要一定的時(shí)間，所以其電流滯后于電壓，出現延遲時(shí)間，若適當地控制渡越時(shí)間，那么，在電流和電壓關(guān)系上就會(huì )出現負阻效應，從而產(chǎn)生高頻振蕩。它常被應用于微波領(lǐng)域的振蕩電路中。

　　13、江崎二極管 (Tunnel Diode)它是以隧道效應電流為主要電流分量的晶體二極管。其基底材料是砷化鎵和鍺。其P型區的N型區是高摻雜的(即高濃度雜質(zhì)的)。隧道電流由這些簡(jiǎn)并態(tài)半導體的量子力學(xué)效應所產(chǎn)生。發(fā)生隧道效應具備如下三個(gè)條件：①費米能級位于導帶和滿(mǎn)帶內;②空間電荷層寬度必須很窄(0.01微米以下);簡(jiǎn)并半導體P型區和N型區中的空穴和電子在同一能級上有交疊的可能性。江崎二極管為雙端子有源器件。其主要參數有峰谷電流比(IP/PV)，其中，下標“P”代表“峰”;而下標“V”代表“谷”。江崎二極管可以被應用于低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中(其工作頻率可達毫米波段)，也可以被應用于高速開(kāi)關(guān)電路中。

　　14、快速關(guān)斷(階躍恢復)二極管 (Step Recovary Diode)它也是一種具有PN結的二極管。其結構上的特點(diǎn)是：在PN結邊界處具有陡峭的雜質(zhì)分布區，從而形成“自助電場(chǎng)”。由于PN結在正向偏壓下，以少數載流子導電，并在PN結附近具有電荷存貯效應，使其反向電流需要經(jīng)歷一個(gè)“存貯時(shí)間”后才能降至最小值(反向飽和電流值)。階躍恢復二極管的“自助電場(chǎng)”縮短了存貯時(shí)間，使反向電流快速截止，并產(chǎn)生豐富的諧波分量。利用這些諧波分量可設計出梳狀頻譜發(fā)生電路?？焖訇P(guān)斷(階躍恢復)二極管用于脈沖和高次諧波電路中。

　　15、肖特基二極管 (Schottky Barrier Diode)

　　二極管電路

　　它是具有肖特基特性的“金屬半導體結”的二極管。其正向起始電壓較低。其金屬層除材料外，還可以采用金、鉬、鎳、鈦等材料。其半導體材料采用硅或砷化鎵，多為N型半導體。這種器件是由多數載流子導電的，所以，其反向飽和電流較以少數載流子導電的PN結大得多。由于肖特基二極管中少數載流子的存貯效應甚微，所以其頻率響僅為RC時(shí)間常數限制，因而，它是高頻和快速開(kāi)關(guān)的理想器件。其工作頻率可達100GHz。并且，MIS(金屬-絕緣體-半導體)肖特基二極管可以用來(lái)制作太陽(yáng)能電池或發(fā)光二極管。

　　16、阻尼二極管具有較高的反向工作電壓和峰值電流，正向壓降小，高頻高壓整流二極管，用在電視機行掃描電路作阻尼和升壓整流用。

　　17、瞬變電壓抑制二極管TVP管，對電路進(jìn)行快速過(guò)壓保護，分雙極型和單極型兩種，按峰值功率(500W-5000W)和電壓(8.2V～200V)分類(lèi)。

　　18、雙基極二極管(單結晶體管)兩個(gè)基極，一個(gè)發(fā)射極的三端負阻器件，用于張馳振蕩電路，定時(shí)電壓讀出電路中，它具有頻率易調、溫度穩定性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　19、發(fā)光二極管用磷化鎵、磷砷化鎵材料制成，體積小，正向驅動(dòng)發(fā)光。工作電壓低，工作電流小，發(fā)光均勻、壽命長(cháng)、可發(fā)紅、黃、綠單色光。

　　20.、硅功率開(kāi)關(guān)二極管硅功率開(kāi)關(guān)二極管具有高速導通與截止的能力。它主要用于大功率開(kāi)關(guān)或穩壓電路、直流變換器、高速電機調速及在驅動(dòng)電路中作高頻整流及續流箝拉，具有恢復特性軟、過(guò)載能力強的優(yōu)點(diǎn)、廣泛用于計算機、雷達電源、步進(jìn)電機調速等方面。

　　21、旋轉二極管主要用于無(wú)刷電機勵磁、也可作普通整流用。

　　3 根據特性分類(lèi)

　　點(diǎn)接觸型二極管，按正向和反向特性分類(lèi)如下。

　　1、一般用點(diǎn)接觸型二極管這種二極管正如標題所說(shuō)的那樣，通常被使用于檢波和整流電路中，是正向和反向特性既不特別好，也不特別壞的中間產(chǎn)品。如：SD34、SD46、1N34A等等屬于這一類(lèi)。

　　2、高反向耐壓點(diǎn)接觸型二極管是最大峰值反向電壓和最大直流反向電壓很高的產(chǎn)品。使用于高壓電路的檢波和整流。這種型號的二極管一般正向特性不太好或一般。在點(diǎn)接觸型鍺二極管中，有SD38、1N38A、OA81等等。這種鍺材料二極管，其耐壓受到限制。要求更高時(shí)有硅合金和擴散型。

　　3、高反向電阻點(diǎn)接觸型二極管正向電壓特性和一般用二極管相同。雖然其反方向耐壓也是特別地高，但反向電流小，因此其特長(cháng)是反向電阻高。使用于高輸入電阻的電路和高阻負荷電阻的電路中，就鍺材料高反向電阻型二極管而言，SD54、1N54A等等屬于這類(lèi)二極管。

　　4、高傳導點(diǎn)接觸型二極管它與高反向電阻型相反。其反向特性盡管很差，但使正向電阻變得足夠小。對高傳導點(diǎn)接觸型二極管而言，有SD56、1N56A等等。對高傳導鍵型二極管而言，能夠得到更優(yōu)良的特性。這類(lèi)二極管，在負荷電阻特別低的情況下，整流效率較高。

　　4 LED發(fā)光二極管如何分類(lèi)

　　1.按發(fā)光管發(fā)光顏色分

　　按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無(wú)色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無(wú)色透明、有色散射和無(wú)色散射四種類(lèi)型。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。

　　2.按發(fā)光管出光面特征分

　　按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。

　　圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的?發(fā)光二極管記作T-1;把 φ5mm的記作T-1(3/4);把φ4.4mm的記作T-1(1/4)。由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來(lái)分有三類(lèi)：

　　(1)高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°~20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測系統。

　　(2)標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°~45°。

　　(3)散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°~90°或更大，散射劑的量較大。

　　五、二極管的主要參數

　　用來(lái)表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術(shù)指標，稱(chēng)為二極管的參數。不同類(lèi)型的二極管有不同的特性參數。對初學(xué)者而言，必須了解以下幾個(gè)主要參數：

　　1.反向飽和漏電流IR

　　指在二極管兩端加入反向電壓時(shí)，流過(guò)二極管的電流，該電流與半導體材料和溫度有關(guān)。在常溫下，硅管的IR為納安(10-9A)級，鍺管的IR為微安(10-6A)級。

　　2.額定整流電流IF

　　指二極管長(cháng)期運行時(shí)，根據允許溫升折算出來(lái)的平均電流值。目前大功率整流二極管的IF值可達1000A。

　　3. 最大平均整流電流IO

　　在半波整流電路中，流過(guò)負載電阻的平均整流電流的最大值。這是設計時(shí)非常重要的值。

　　4. 最大浪涌電流IFSM

　　允許流過(guò)的過(guò)量的正向電流。它不是正常電流，而是瞬間電流，這個(gè)值相當大。

　　5.最大反向峰值電壓VRM

　　即使沒(méi)有反向電流，只要不斷地提高反向電壓，遲早會(huì )使二極管損壞。這種能加上的反向電壓，不是瞬時(shí)電壓，而是反復加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓，它的最大值是規定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前最高的VRM值可達幾千伏。

　　6. 最大直流反向電壓VR

　　上述最大反向峰值電壓是反復加上的峰值電壓，VR是連續加直流電壓時(shí)的值。用于直流電路，最大直流反向電壓對于確定允許值和上限值是很重要的。

　　7.最高工作頻率fM

　　由于PN結的結電容存在，當工作頻率超過(guò)某一值時(shí)，它的單向導電性將變差。點(diǎn)接觸式二極管的fM值較高，在100MHz以上;整流二極管的fM較低，一般不高于幾千赫。

　　8.反向恢復時(shí)間Trr

　　當工作電壓從正向電壓變成反向電壓時(shí)，二極管工作的理想情況是電流能瞬時(shí)截止。實(shí)際上，一般要延遲一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間。決定電流截止延時(shí)的量，就是反向恢復時(shí)間。雖然它直接影響二極管的開(kāi)關(guān)速度，但不一定說(shuō)這個(gè)值小就好。也即當二極管由導通突然反向時(shí)，反向電流由很大衰減到接近IR時(shí)所需要的時(shí)間。大功率開(kāi)關(guān)管工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，此項指標至為重要。

　　9. 最大功率P

　　二極管中有電流流過(guò)，就會(huì )吸熱，而使自身溫度升高。最大功率P為功率的最大值。具體講就是加在二極管兩端的電壓乘以流過(guò)的電流。這個(gè)極限參數對穩壓二極管，可變電阻二極管顯得特別重要。